Модель трещиноватого горного массива

Авторы патента:

Хямяляйнен Вениамин Анатольевич (RU)

E21C39/00 - Устройства для определения на месте разработки твердости или других свойств полезных ископаемых, например с целью выбора соответствующих инструментов для добычи

Владельцы патента RU 2540717:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева" (КузГТУ) (RU)

Изобретение относится к области горного дела, а именно к лабораторным исследованиям механизма фильтрации жидкостей в трещиноватых горных породах, и может быть использовано при извлечении метана из угольных пластов с предварительным их гидроразрывом, а также в нефтедобывающей и газодобывающей отраслях и научных организациях. В модели трещиноватого горного массива, включающей щель между недеформируемыми блоками с закрепляющим материалом, согласно изобретению щелеобразующие поверхности блоков имеют ячеистую форму. Размеры ячеек соответствуют геометрии закрепляющих частиц и величине их вдавливания в деформируемый массив горных пород. Техническим результатом изобретения является повышение точности моделирования процесса закрепления трещин гидроразрыва и взаимодействия закрепляющего материала со стенками трещин в деформируемых породах за счет учета вдавливания частиц закрепляющего материала в стенки трещины исследуемого массива. 2 ил.

Изобретение относится к области горного дела, а более конкретно к лабораторным исследованиям механизма фильтрации жидкостей в трещиноватых горных породах, и может быть использовано при извлечении метана из угольных пластов с предварительным их гидроразрывом, а также в нефтедобывающей и газодобывающей отраслях и научных организациях.

Известна модель трещины флюидоразрыва, образованная двумя недеформируемыми блоками размером 0,1×0,2 м, зазор между которыми моделирует трещину (Хямяляйнен В.А. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок / В.А. Хямяляйнен, Ю.В. Бурков, П.С. Сыркин. - М.: Недра, 1994. - С.237-242). В трещину укладывают закрепляющий материал. Для моделирования горного давления модель помещают под пресс, после чего через трещину прокачивают воду.

Однако конструкция данной модели не учитывает деформации горного массива и не позволяет моделировать вдавливание твердых закрепляющих частиц в стенки трещины исследуемого массива.

Наиболее близкой к изобретению является модель трещиноватого горного массива, включающая щель между блоками с закрепляющим материалом (Авторское свидетельство СССР №1035216, кл. E21C 39/00, 1982). В указанной модели блок деформируем и расположен за пределами щели.

Указанная модель учитывает деформации массива горных пород, но не позволяет моделировать процесс вдавливания частиц закрепляющего материала в стенки трещины исследуемого массива, так как деформируемый блок и щель отделены друг от друга и твердые закрепляющие частицы не соприкасаются с деформируемым блоком.

При создании щели непосредственно между двумя деформируемыми блоками процесс вдавливания закрепляющего материала зависит от величины давления пресса (горного давления), свойств эквивалентного материала деформируемого блока, свойств закрепляющего материала и практически неуправляем, что не дает возможности моделирования вдавливания твердых закрепляющих частиц в массив горных пород.

Техническим результатом изобретения является повышение точности моделирования процесса закрепления трещин гидроразрыва и взаимодействия закрепляющего материала со стенками трещин в деформируемых породах, а именно учет вдавливания частиц закрепляющего материала в стенки трещины исследуемого массива.

Технический результат достигается тем, что в модели трещиноватого горного массива, включающей щель между блоками с закрепляющим материалом, согласно изобретению щелеобразующие поверхности блоков имеют ячеистую форму, при этом размеры ячеек соответствуют геометрии закрепляющих частиц и величине их вдавливания в деформируемый массив горных пород.

Таким образом, основная идея предложенной модели заключается в моделировании деформаций массива горных пород при вдавливании твердых закрепляющих частиц в стенки трещины исследуемого массива путем использования недеформируемых блоков с ячеистой формой их щелеобразующих поверхностей.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен разрез предлагаемой модели, на фиг.2 - сечение А-А.

Модель включает корпус 1, верхний 2 и нижний 3 подвижные блоки, поверхности которых имеют ячеистую форму, при этом размеры ячеек соответствуют геометрии частиц закрепляющего материала 4 и величине их вдавливания в деформируемый массив горных пород. Помимо этого ячейки на поверхности подвижных блоков 2 и 3 размещают с учетом необходимой поверхностной концентрации частиц закрепляющего материла 4. В корпусе 1 имеются отверстия для подключения датчиков давления 5 и температуры 6, а также ввода 7 и вывода 8 флюида. Для исключения утечек флюида через зазор между блоками 2 и 3 и корпусом 1 боковые поверхности блоков 2 и 3 покрывают герметиком.

Модель работает следующим образом.

Перед началом проведения эксперимента снимают верхний блок 2 и на щелеобразующую поверхность нижнего блока 3 укладывают исследуемый закрепляющий материал 4 (например, песок), при этом фиксируют его поверхностную концентрацию (кг/м²). Для моделирования горного давления модель помещают под гидравлический пресс. В процессе проведения эксперимента фиксируют расстояние между щелеобразующими поверхностями (раскрытие щели). После окончания нагружения с помощью насоса через щель с расположенным в ней закрепляющим материалом 4 прокачивают жидкость (например, воду) с достаточно низкой скоростью потока во избежание условий, при которых нарушается закон Дарси. Падение давления по длине потока нагнетаемой жидкости в щели определяют по показаниям манометров. После стабилизации перепада давления фиксируют его величину, а также расход жидкости через закрепленную щель и температуру флюида. По результатам замеров параметров установившейся фильтрации жидкости с учетом ее динамической вязкости и геометрических размеров щели вычисляют коэффициент проницаемости.

Таким образом, предлагаемая модель позволяет моделировать процесс закрепления трещин гидроразрыва с учетом вдавливания частиц закрепляющего материала в стенки трещины исследуемого массива горных пород.

Исследование процесса закрепления трещин разрыва и механизма фильтрации флюидов через закрепленные трещины позволяет повысить их проницаемость и усовершенствовать способы гидроразрава горных пород, что в свою очередь позволяет, например, применительно к технологии добычи метана из угольных пластов увеличить дебит углеметановых скважин.

Модель трещиноватого горного массива, включающая щель между недеформируемыми блоками с закрепляющим материалом, отличающаяся тем, что щелеобразующие поверхности блоков имеют ячеистую форму с размером ячеек, соответствующим геометрии частиц закрепляющего материала и величине их вдавливания в деформируемый массив горных пород.

Изобретение относится к способам определения природных напряжений в массиве горных пород, которые используются в качестве граничных условий при расчете напряжений в горных конструкциях и элементах систем разработки для оценки их устойчивости.

Устройство контроля изменения физико-механического состояния массива горных пород // 2539521

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для контроля изменения физико-механического состояния массива горных пород. Заявленное решение направлено на повышение достоверности контроля изменения физико-механического состояния массива горных пород за счет улучшения отношения сигнал/шум информационно-измерительной системы.

Способ и система автоматизированного определения и регистрации твердости горной породы забоя в процессе бурения скважины // 2539089

Изобретение относится к бурению скважин и может найти применение при регулировании условий бурения. Техническим результатом является оптимизация процесса бурения скважины.

Способ доставки в скважину, ориентирования и тампонирования датчиков параметров состояния горного массива и устройство для его осуществления // 2537435

Изобретение относится к горной промышленности и может быть применено для доставки датчиков в скважину. Способ состоит в том, что датчик и порция раствора для его тампонирования доставляются в скважину одновременно в специальной капсуле, причем порция тампонирующего раствора упаковывается в легко разрываемый пакет, который размещают в капсуле впереди датчика по ходу продвижения ее в скважину.

Способ определения удароопасности массива горных пород по электромагнитной эмиссии и устройство для его осуществления // 2535329

Изобретение относится к горному делу и предназначено для оценки напряженно-деформированного состояния участка массива горных пород путем регистрации импульсного излучения электромагнитных колебаний.

Устройство для определения сопротивляемости пород резанию // 2532955

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для определения сопротивляемости угля и горных пород резанию рабочим инструментом исполнительных органов горных машин.

Способ определения изменения напряженного состояния горного массива в окрестностях выработки // 2532817

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения изменения напряженного состояния горного массива. Технический результат направлен на повышение длительности определения изменений напряженного состояния горного массива в окрестностях выработок в ходе непрерывных мониторинговых акустико-эмиссионных измерений перемещения вглубь массива зоны опорного давления.

Способ управления режимом нагружения лабораторного пресса при испытании образца горной породы // 2530449

Изобретение относится к лабораторному моделированию в геофизике с применением электрогидравлического, программно управляемого пресса и может быть использовано для исследований процессов разрушения горных пород с целью отработки методик и алгоритмов прогнозирования сейсмической опасности в природных массивах.

Устройство для определения энергоемкости разрушения горных пород // 2528314

Изобретение относится к исследованию механических свойств горных пород. Задачей изобретения является упрощение конструкции устройства без ухудшения его характеристик, с возможностью реализации устройства на базе токарного станка с незначительной переделкой.

Способ определения выбросоопасных зон в угольных пластах // 2528304

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при текущем прогнозе выбросоопасности угольных пластов. Техническим результатом изобретения является повышение надежности определения выбросоопасных зон в угольных пластах.

Способ определения протяженности зоны опорного давления от очистного забоя // 2541343

Изобретение относится к горному делу, преимущественно к угольной промышленности. Техническим результатом является повышение точности определения протяженности зоны опорного давления от очистного забоя. Предложен способ определения протяженности зоны опорного давления от очистного забоя, включающий проведение подготовительных выработок, отработку угольного пласта очистным забоем, бурение дегазационной скважины, герметизацию ее устья от рудничной атмосферы, измерение интенсивности газовыделения из скважины при ее переходе из зоны природной проницаемости пласта в зону опорного давления от очистного забоя. При этом скважину в неразгруженном массиве пласта бурят до границы опорного давления от противоположной выработки, а устье скважины герметизируют на глубину зоны опорного давления от выработки, из которой она пробурена. Причем протяженность зоны опорного давления от очистного забоя устанавливают по расстоянию между зонами начала пригрузки пласта и начала его разгрузки от горного давления.

Способ прогноза местонахождения нижней границы взрывоопасной газовой зоны в очистном забое // 2541347

Изобретение относится к горному делу, преимущественно к угольной промышленности. Предложен способ прогноза местонахождения нижней границы взрывоопасной газовой зоны в очистном забое, включающий проходку параллельных выработок на выемочном участке, проведение скважины в кровлю пласта и измерение концентрации метана по ее длине подвижным газоизмерительным зондом. При этом скважину в кровлю пласта проводят из сопряжения лавы с прилегающей воздухоотводящей выработкой в направлении выработанного пространства действующего выемочного участка до посадки непосредственной кровли на длину, равную шагу ее посадки, под углом разгрузки пород кровли от подвижной границы очистного забоя. Производят измерение концентрации метана по длине скважины при прямом и обратном движении газоизмерительного зонда в наперед заданных интервалах длины скважины, а нижнюю границу взрывоопасной газовой зоны устанавливают от кровли пласта по нижнему концентрационному пределу взрываемости газовоздушной смеси. Внедрение способа позволит установить, в каждом конкретном случае отработки угольного пласта, местонахождение нижней границы взрывоопасной газовой зоны в очистном забое в наиболее опасной его части, разработать рекомендации по устранению скоплений взрывоопасных газов и повысить безопасность ведения очистных работ по газовому фактору.

Способ определения границ защищенных зон в лавах угольных пластов // 2542068

Изобретение относится к горному делу, а именно к повышению безопасности ведения горных работ. Технический результат достигается тем, что измерение относительного изменения радиационной температуры поверхности забоя пласта осуществляют дистанционно с расстояния 1,0-1,5 м через 3-5 м по длине лавы, при этом в каждой точке измерения к учету принимают среднее значение, полученное не менее чем в 30 циклах измерений, а границей защищенной зоны принимают расстояние от линии примыкания пласта к выработанному пространству до точки фиксации стабилизации значения радиационной температуры. В способе определения границ защищенных зон в лавах угольных пластов осуществляется дистанционное измерение относительного изменения радиационной температуры (интенсивности инфракрасного излучения) поверхности забоя пласта. Первый замер производится в точке на расстоянии 3-5 м от ниши или от штрека, последующие точки измерения располагаются на равном расстоянии через 3-5 м по длине лавы. В каждой точке измерения выполняется не менее 5 точечных замеров. После выполнения каждого цикла измерений для каждой точки в цикле рассчитываются средние значения. По средним значениям не менее чем 30 циклов измерений строится график относительного изменения радиационной температуры поверхности забоя пласта по длине лавы и фиксируется точка ее стабилизации, которая и является границей защищенной зоны. 1 ил.

Способ прогноза заколов и вывалообразований в пределах незакрепленного крепью участка проводимой подготовительной горной выработки (варианты) // 2542075

Группа изобретений относится к горной промышленности и строительству, а именно к прогнозу динамических проявлений в массиве горных пород при изменении его напряженно-деформированного состояния. Технический результат - повышение точности измерений путем единого порядка выбора точек измерений, фиксации количества отсчетов и правильной ориентации выбранного устройства. Предлагаются два варианта способа - для призабойной зоны и участка, удаленного от призабойной зоны. В обоих вариантах производят измерения амплитуд импульсов сигналов электромагнитного излучения (ЭМИ). До регистрации сигналов ЭМИ формируют замерную станцию для проведения измерений величин амплитуд импульсов сигналов ЭМИ, для чего используют закрепленный в породе ее кровли отвес с фиксатором на высоте 1,5 м от почвы выработки, размещая их по вертикальной оси этой плоскости, после чего размещают указанное устройство перед упомянутым фиксатором. Измеряют величины амплитуд импульсов сигналов ЭМИ, выбирают наибольшие величины - Nmax (1 вариант) и N ' max (2 вариант), которые сравнивают с критической величиной Nкр амплитуды импульсов ЭМИ по горизонту шахты. Если Nmax>Nкр или N ' max > N к р , то состояние рассматриваемого участка оценивают как опасное. Проводят оборку нависших заколов и кусков породы инструментом. Повторяют операции, пока не будет получено Nmax≤Nкр или N ' max ≤ N к р . 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ определения напряженно-деформированного состояния материала с хрупким скелетом // 2543709

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к области инженерных изысканий, и может быть использовано для определения напряженно-деформированного состояния пород, а именно определения стадии развития деформационных процессов в массиве материала (в горном массиве, грунтов под инженерным сооружением и т.п.). Сущность: отбирают образцы материала с хрупким скелетом. Осуществляют нагружение образцов с регистрацией физико-механических характеристик материала и строят кривую напряжение-деформация, по которой находят параметры, характеризующие предвестник разрушения материала. При сжатии образцов определяют коэффициенты α p − , α-, αJ, характеризующие изменение потенциальной энергии упругого деформирования при рассеянном разрушении материала, а предвестник разрушения материала находят по формуле ω = α _ I 1 + α J J + α p − Δ p − γ − , где γ- - положительный параметр, задающий квадратичную зависимость поверхностной энергии накопленного ансамбля микротрещин в хрупком материале, I1 - относительное изменение объема материала, J - интенсивность касательных деформаций, Δp - изменение внутрипорового давления. Технический результат: возможность характеризовать стадию состояния материала перед разрушением, что и является предвестником разрушения материала, путем сокращения времени измерения за счет уменьшения количества испытываемых образцов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ и устройство для определения локальной пространственной протяженности фазы минерала ценного материала в породе // 2553739

Изобретение относится к способу и устройству для определения локальной величины зерна минерала для минерала ценного материала в породе месторождения или залежи, причем порода включает в себя по меньшей мере один другой минерал, и при этом минерал ценного материала имеет более высокую плотность, чем по меньшей мере один другой минерал. Способ характеризуется следующими этапами: выполнение процесса бурения посредством буровой установки в породе, при этом создается буровая мелочь, образование аэрозоля, включающего в себя буровую мелочь и газовый поток, перенос аэрозоля от буровой установки к по меньшей мере одному воздушному сепаратору, выполнение классификации в потоке, причем образуются по меньшей мере две фракции, включающие в себя частицы соответствующей равнопадаемости буровой мелочи, и определение свойства по меньшей мере одной из фракций, которая применяется как мера для локальной величины зерна минерала для минерала ценного материала в породе. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ и устройство для увеличения добычи на месторождении // 2553741

Изобретение относится к способу и устройству для повышения добычи на месторождении, содержащем породу, которая включает в себя по меньшей мере один раскрываемый путем размельчения породы минерал ценного материала и по меньшей мере один другой минерал, причем минерал ценного материала имеет более высокую плотность, чем по меньшей мере один другой минерал. Причем способ характеризуется следующими этапами: выполнение процесса бурения посредством буровой установки для выемки породы. При этом создается буровая мелочь, образование аэрозоля, включающего в себя буровую мелочь и газовый поток, перенос аэрозоля от буровой установки к по меньшей мере одному воздушному сепаратору, выполнение классификации в потоке, причем образуются по меньшей мере две фракции, включающие в себя частицы соответствующей равнопадаемости буровой мелочи, и определение свойства по меньшей мере одной из фракций, которая применяется как мера для установления оптимальной степени размельчения породы. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ определения газоносности массива угля в зоне его разрушения // 2557022

Изобретение относится с горному делу, преимущественно к угольной промышленности. Предложен способ определения газоносности массива угля в зоне его разрушения, включающий сменный режим работы очистного забоя по добыче угля, отработку пласта продольными полосами, измерение интенсивности газовыделения из отрабатываемого пласта в добычную смену и установление показателя нарастания интенсивности газовыделения в призабойное пространство лавы при разрушении угля. При этом интенсивность газовыделения из пласта измеряют во время выемки первой и второй полос угля после ремонтной смены, при этом газоносность массива угля в зоне его разрушения определяют по приведенному математическому выражению. Предложенный способ позволяет определить достоверную величину газоносности массива угля в зоне его разрушения за счет прямых измерений интенсивности газовыделения из пласта в призабойное пространство.

Способ исследования напряженного состояния массива горных пород // 2557287

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения направления максимального напряжения в конструктивных элементах систем разработки относительно пробуренных в них контрольных скважин. Технический результат направлен на обеспечение возможности определения направления максимального напряжения, действующего ортогонально измерительной скважине. Способ включает размещение в измерительной скважине стержневого звукопровода, на котором жестко закреплено контактирующее со стенками скважины кольцо, и регистрацию акустической эмиссии (АЭ) на выступающем из скважины конце звукопровода. В массиве в одной горизонтальной плоскости с испытательной скважиной и параллельно ей дополнительно бурят не менее трех скважин, в каждой из которых размещают такой же, как в первой испытательной скважине, звукопровод с кольцом. Все кольца изготавливают из слоистого композиционного материала, имеющего анизотропную структуру в плоскости кольца, а угол ориентации слоев кольца в каждой последующей скважине увеличивают на 15° по сравнению с предыдущей. По зарегистрированным на каждом звукопроводе сигналам акустической эмиссии определяют соответствующие им зависимости суммарного счета от времени, выявляют тот звукопровод, которому соответствует спад суммарного счета АЭ во времени. По направлению слоев в кольце на этом звукопроводе судят о направлении максимального напряжения, действующего в массиве в плоскости ортогональной оси измерительной скважины. 2 ил.

Способ определения напряжений в массиве горных пород // 2557288

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения напряжений в массиве горных пород. Техническим результатом изобретения является определение факта превышения значением максимального главного напряжения критического уровня, равного или превышающего 0,9 от предела прочности при сжатии σсж, что свидетельствует о переходе породы в стадию предразрушения. Способ, в котором из массива в направлении, совпадающем с направлением действующего в нем максимального главного напряжения, извлекают образцы. Подвергают их объемному нагреву от 20 до 570°C, затем дают им остыть до температуры 140-150°C, одновременно регистрируют активность акустической эмиссии. Определяют отношение амплитуд огибающих активности акустической эмиссии, возникающей при остывании и нагревании, по значению которого судят о достижении напряжением на исследуемых участках массива величины нагрузки, равной или превышающей 0,9 от предела прочности при сжатии горной породы, свидетельствующей о переходе последней в стадию предразрушения. 2 ил.