Способ разупрочнения труднообрушаемой кровли при разработке пологих и наклонных пластов

 

Изобретение относится к горному делу и м.б. использовано при разработке пологих и наклонных пластов углей и других полезных ископаемых. Цель изобретения - снижение трудозатрат, повышение зффективности процесса разрушения пород и без-опасности работ по управлению горным давлением. Способ заключается в бурении скважин в кровлю пласта из откаточного, вентиляционного шфреков и разрезной пе-. чи, герметизации и нагнетании в скважины рабочих ж»1дкостей с реагентами. В качестве реагента при этом исИользуётся сниженная двуокись углерода в оболочках с разрушаемой мембраной, которые размещают в скважины перед их герметизацией. Мембрану тарируют на давление, превышающее давление рабочей жидкости в скважине, но не менее внутреннего давления в оболочке газообразной двуокиси углерода при температуре окружающих пород. Разупрочнение труднообрушаемой кровли осуществляют за счет энергии фазового перехода жидкости в твердое состояние. При разрушении оболочки с сжиженной двуокисью углерода при температуре вмещающих пород происходит превращение рабочей жидкости в твердое состояние и ее быстрое расширение с избыточным давлением до t13 МПа. что многократно превышает предел прочности на сжатие наиболее крепких песчанникое и известняков. 4 ил.(ЛсИзобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке пологих и наклонно залегающих пластов углей и других полезных ископаемых.Изве[стен способ разупрочнения труднообрушаемой кровли, включающий бурение скв.ажин, заряжание в них ВВ с последующим торпедированием кровли с целью искусственного ее обрушения.Недостатком известного способа искусственной посадки кровли является возмож-ность выхода пламени, из скважин по природным трещинам кровли в загазированное метаном выработанное пространство лавц, что приводит к взрыву метановоздушной смеси и угольной пыли.Известен способ разупрочнения труднообрушаемой кровли путем бурения скважин и ввода в них жидких реагентов, химически взаимодействующих с цементирующим веществом пород труднообрушаемой кровли.hOо о XI>&

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (l9) (11) (51)5 Е 21 С 41/18 (21) 4766240/03 (22) 08.12.89 (46) 15.02.92. Бюл, Ь 6 (71) Стахановский филиал Коммунарского горно-металлургического института (72) В.Ф.Овчинников, Н.M.áåçûìÿííûé, Г.Ю,Валуконис и М.Г.Левертов ,(53) 622.271 (088.8) (56) Инструкция по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на выемочных участках. Л.: ВНИМИ, 1982.

Обоснование расчетных параметров процессов разупрочнения труднообрушающейся кровли лав. Отчет по НИР Ь 1968. hh гос.регистрации 01.87.0055710. 1987. Стаханов. (54) СПОСОБ РАЗУПРОЧНЕНИЯ ТРУДНООБРУШАЕМОЙ КРОВЛИ ПРИ Р43РАБОТКЕ ПОЛОГИХ, И HAYJlOHHblX ПЛАСТОВ (57) Изобретение относится к горному делу и M.б. использовано при разработке пологих и наклонных пластов углей и других полезных ископаемых. Цель изобретения— снижение трудозатрат, повышение эффективности процесса разрушения пород и GesИзобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке пологих и наклонно залегающих пластов углей и других полезных ископаемых.

Известен способ разупрочнения труднообрушаемой кровли, включающий бурение скважин, заряжание в них ВВ с последующим торпедированием кровли с целью искусственного ее обрушения.

Недостатком известного способа искусственной посадки кровли является воэможопасности рабо по управлению горным давлением. Способ заключается в бурении скважин в кровлю пласта иэ откаточного, вентиляцйонного упреков и разрезной пе- . чи, герметизации и нагнетании в скважины рабочих жидкостей с реагентами. В качестве реагента при этом используется сниженная двуокись углерода в оболочках с разрушаемой мембраной, которые размещают в скважины перед их герметизацией, Мембрану тарируют на давление, превышающее давление рабочей жидкости в скважине, но не менее внутреннего давления в оболочке газообразной двуокиси углерода при температуре окружающих пород. Разупрочнение труднообрушаемой кровли осуществляют за счет энергии фазового перехода жидкости в твердое состояние.

При разрушении оболочки с сжиженной двуокисью углерода при температуре вмещающих пород происходит превращение рабочей жидкости в твердое состояние и ее быстрое Расширение с избыточным давлением до 113 МПа, что многократно превышает предел прочности на сжатие наиболее крепких песчанников и известняков. 4 ил.

3 ность выхода пламени иэ скважин по природным трещинам кровли в эагазированное метаном выработанное пространство лавы, что приводит к взрыву метановоздушной смеси и угольной пыли.

Известен способ разупрочнения труднообрушаемой кровли путем бурения скважин и ввода в них жидких реагентов, химически взаимодействующих с цементирующим веществом пород труднообрушаемой кровли.

1712607

Недостаток известного способа в том, что продолжительность химической реакции с цементирующим веществом пород кровли длительна — не менее суток. Кроме того, применение таких жидких химреаген- 5 тов (кислот, щелочей) не отвечает санитарным требованиям при подземной разработке полезных ископаемых.

Цель изобретения — снижение трудозатрат, повышение эффективности процесса 10 разрушения пород и безопасности работ по управлению горным давлением.

Цель достигается тем, что в способе .раэупрочнения труднообрушаемой кровли при разработке пологих и наклонных пла- 15 стов, включающем бурение скважин в кровлю пласта из откаточного, вентиляционного штреков и разрезной выработки, герметизацию и нагнетание в скважины рабочих жидкостей с реагентами, в качестве реагента 20 используют сжиженную двуокись углерода ° в оболочках с разрушаемой мембраной, которые помещают в скважины перед их герметизацией, тарируют мембрану на давление; превышающее давление рабочей 25 жидкости в скважине, но не менее внутреннего давления в оболочке газообразной двуокиси углерода при температуре окружающих пород, при этом разупрочнение труднообрушэемой кровли осуществля- 30 ют за счет воздействия сжиженной двуокисью углерода на рабочую жидкость и энергии фазового перехода жидкости в твердое состояние.

Предлагаемый способ отличается от 35 известного принципиально новыми средствами достижения цели, т.е. раэупрочнения труднообрушаемой кровли, в основе которых использованы физические процессы превращения сжиженной двуокиси углеро- 40 да в газообразное состояние и воды в лед, сопровождающиеся понижением температуры до (-50-56) С. При этом происходит быстрое расширение образующегося льда, способного при минус 10 С создать избы- 45 точное давление в 113 МПа (1130 кгс/см ), г . многократно превышая предел прочности на сжатие наиболее крепких песчаников и известняков.

При снижении температуры льда от (—.10) 50 до (-20) С его избыточное давление мгновенно возрастает до 197 МПа (1970 кгс/см ), что . гарантирует быстротечное разупрочнение труднообрушаемой кровли, даже состоящей из крепких песчаников или известня- 55 ков, имеющих коэффициент крепости f > 10 по шкале проф. М.M.Протодьякова.

Оболочки с сжиженной двуокисью углерода, помещаемые s пробуренные скважины до нагнетания в них жидкости через уплотняющее устройство (затвор). рассчитаны на избыточное давление, в 2.5-3 раза превышающее давление нагнетаемой жидкости. При этом мембрана в горловине оболочки, обеспечивающая при ее срабатывании ускоренной выход сжиженной двуокиси углерода из оболочки в скважину, предварительно заполненную водой под давлением 0,3-0,5 МПа, срабатывает при условии

Р» Ри> Рз(см.фиг,4), где Рз-0,3-0,5 МПа— давление жидкости (воды) в скважинах при срабатывании мембраны; Рр — давление, нэ которое рассчитана мембрана; Pi — давление сжиженной двуокиси углерода в оболочках при соответствующей температуре вмещающих пород.

На фиг, 1 изображена скважина, вид в плане; на фиг. 2 — продольный.разрез одной из серии скважин; на фиг. 3 — перекрытие контуров влияния скважин; на фиг. 4- схема реализации способа.

На этих фмг. 1-.4 обозначены вентиляционный 1 и откаточный 2 штреки, проводимые с подрывкой кровли в границе выемочного участка от уклона 3 и его ходка

4 (фиг.1). Нэ границе выемочного участка между штреками 1 и 2 проходит разрез 5 для интенсивной отработки лавы обратным ходом.

Для первичной и последующей посадки (фиг.2) труднообрушаемой кровли 6 мощностью m, залегающей нэд угольным пластом

my, a кровле.разреза 5 и штреков 1 и 2 бурят наклонные скважины 7 на расстоянии друг от друга, равном не более 2R (фиг.3), где R— эффективный радиус проникновения нагнетаемой под давлением Рз жидкости (воды по естественным природным трещинав пород труднообрушаемой кровли. Общиф объем естественных (природных) трещий составляет в - 8-t tg от эффективного объема породного цилиндра, равног®

2жR m> (фиг.4).

Быстрое разупрочняющее действие проявляет расширяющийся при- температуре до (-10) С лед, создавая избыточное давление 113МПа(113 10 Н/м);многократно превышающее предел прочности наиболее крепких песчаников и известняков.

На фйг. 4 изображена одна иэ серии скважин 7, пробуренных до начала обратной отработки лавы, расстояние между когорыми не должно превышать 2R е тем, чтобы искусственно создать по штрекэм 1,2 и разрезу S (фиг,1-2) П-образный контур принудительного раэупрочнения труднооб- . рушаемой кровли мощностью вн:для первичной и последующих посадок, исключая опасное зависание пород кровли.

1712607

mCm —.

Способ разупрочнения труднообрушаемой кровли осуществляют следующим образом; ДО нагнетания воды в скважины 7 засылают по одной или несколько оболочек

В (фиг.4) со сжиженной двуокисью углерода (СО ), находящегося при О-5 С под давлениеи Pl. Оболочки 8 в горловине имеют мембрану 9, способную выдерживать давление менее Рз сжиженной СОэ и срабатывать при избыточном давлении СО2 болев Pg.

После досылки в скважины 7 оболочек 8. до нагнетания воды скважины 7 запирают затворами 10, имеющими обратный клапан

11, зажииной штуцер 12 с уплотняющей шайбой 13 и нагнетательным шлангом.14, соединенным с напорным насосом (нв показан). После того, как серия пробуренных скважин загериетизирована, з очистной забой отошел от разреза 5 (фиг.f) на.6-10 и, на откаточном 2 и вентиляционном 1 штреке производят удаление арочной крепи (условно не показана) на участках от линии б до линии 5 (фиг.1). После этого в скважины 7 (фиг.1) производят одновременное нагнетз.-.

we воды при помощи напорного насоса(условно не показан). Под действием избыточного давления воды от сквжины 7 s радиусе R проникает в природные трещины

7 (фиг,4), общий объем которых составляет .

8-117 от объема 2 ай mH N. где И— количество скважин, одновременно участ. вующих в разупрочнении труднообрушаемой кровли. Оболочки с сжиженной C(h постоянно хранят в специальном перенос. ном контейнере с.минусовой температурой (0-5 С).

С момента досылки оболочек в скважины происходит повышение температуры оболочки до температуры боковых пород

+20 -25 С. При этом избыточное давление в оболочках повышается, что приводит к разрыву мембраны и выходу СО s скважины.

Сжиженнзя COz, выходя из оболочек 7 при адиабатическом расширении, быстро превращается из сжиженного в газообразное состояние, поглощая теплоту. у воды, заполняющей скважины 7 и природные трещины 7 в радиусе R (фиг.4). За счет адиаба. тического расширения С02 происходит резкое понижение температуры воды в скважинах и природных трещинах в радиусе Я (фиг,2}. При этом происходит быстрое снижение температуры до минус

10 С образовавшегося льда с его расширением, способным даже при температуре иинус 10 С, создать избыточное давление .в 113 МПа, многократно превышая предел прочности наиболее крепких песчаников и.известняков, Количество необходимой сжиженной углекислоты определяется по формуле гдв е1 — масса воды;

C1 — удельная теплоемкость воды;

Т вЂ” начальная температура воды;

10 . А- удельная теплота плавления льда;

Te — температура образования льда;

Тэ — температура льда;

Ссор — удельная твплоеикость жидкой

- фазы углекислого газа; . Тз — температура перехода иэ жидкой фазы СОэ в газообразную;

4:٠— теплота перехода СОЯ из жидкой фазы в,газообразную;

Ссор — удельная твплоемкость газа

СОэ; есоэ — масса углекислого газа в жидкой фаэв.

Количество сжиженного углекислого газа Определяется 6 Зависимости От количества воды, нагнетаемой в скважины.

По мере отхода лавы е направлении от

5 к 5 (фиг.1) укаэанные Операции повторяют с удалением арочной крепи на штрвкзх 1 и

30 2, что обеспечивает равномерное (через 2030 и) обрушение кровли вслед эв интенсивной отработкой лавы Обратным ходом. исключая Опзсныв последствия, связзнныв с зависанием труднообрушзвиых пород

35 кровли.

Изобретение Обеспечивает следующие преимущества: отсутствие сложных и дорогих иашин и механизмов; безопасность ис. пользуемых.технических средств, кроме

40. того. предлагаеиый способ исключает вынужденную задержку спуска работающих в шахту. связанную с торпедированием труднообрушаемой кровли или химическим ее разупрочнением.

Ожидаемый экономичвский эффект достигается за счет исключения регрессивных исков, связанных с имевшими место взрывами газа и угольной пыли и гибелью шахтеров в результате проникновения пламени по природным трещинам в эагазированное метаном выработанное пространство лавы. при торпедировании труднообрушаеиой кровли; повышения на 10 суточной добычи Ь комплексно-механизированной лаве

55 (среднесуточный план - 700 т) в результате устранения простоев лавы при внедрении предлагаемого способа. Это обеспечит месячный прирост угледобычи 70 х 25 дн * 1750 т..

При средней себестоимости угля 25 руб 3а, 1 т — годовой экономический эффект по одной

1712607

+6P. f

° ° р 4 °

° ° °

° °

° 4 Ф ° ° ° е °

Ь °

° ° ° . °

° °

Ф е

° °

° 4 ° 4 Ф

° . ° °

° ° 4 °

° °

° Ь ° ° ° Ф

° ° ° ° °

° 4 ° ° °

° ° Ф

° Ф ° ° ° ° °

° 4 ° °

° ° ° ° Ф Ь °

° . ° / р

ДЯ/ Ф ° ° ° ° °

° 44 Ф °

Ф

° ° ° ° Ф ° ° °

° . °

° ° е °

° ° ,!

° 4 ° °

Ф.

° °

° е ° Е °

° ° ° ° ° ° °

° ° ° ° °

° °

° ° : °;ll

° °

° ° 4

° . ° °

° ° Ф ° °

° ° р ° ° °

° 4 °

° ° ° °

° ° °

° ° ° °

° ° ° ° ° °

° Ф. ° °

° °

° ° ° °

° ° 4 °

Е ° ° ° Ф

Ф ° ° °

° °

Ф ° °.фЦ8 2 шахте от внедрения предлагаемого способа составит 26 х 1750 х 12 мес-646 тыс. руб.

Из 600 угольных шахт в СССР с труднообрушаемыми кровлями работает 75. С внедрением предлагаемого способа на 76 шахтах СССР общий годовой экономический эффект составит в пределах 646 х 75

40,S5 млн.руб. при общем повышении уровня безопасности работ по управлению труднообрушаемой кровлей.

Формула изобретения

Способ разупрочнения труднообрушаемой кровли при разработке пологих и наклонных пластов, включающий бурение скважин в кровлю пласта из откаточного, вентиляционного штреков и разрезной выработки, герметизацию и нагнетание в скважины рабочих жидкостей с реагентами, о тличающийся тем,что,сцельюснижения трудозатрат, повышения эффективности процесса разрушения пород и безопасности работ по управлению горным давлени6 ем, в качестве реагентэ используют сжиженную двуокись углерода в оболочках с; которые помещают в скважины перед их герметизэцией, тарируют мембрану на давление, превыша10 ющее давление рабочей жидкости в скважине, но не менее внутреннего давления в оболочке газообразной двуокиси углерода при температуре окружающих пород, при этом разупрочнение труднообрушаемой .

16 кровли осуществляют воздействием сжиженной двуокисью углерода нэ рабочую жидкость и энергией фазового переходе жидкости в твердое состояние..1712607 г

; Фиг . 3. фиа4

Составитель В.ТерентовРедактор Н.Федорова Техред М.Моргентал Корректор H.Êîðîëü . Заказ 520 . Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101