Способ дегазации угольных пластов

 

Использование: дегазация угольных пластов при отработке месторождений подземным способом. Сущность изобретения: воздействием вибрационных нагрузок в частотном диапазоне 1000-1500 Гц в совокупности с нагнетанием горячей воды в пласт с расклинивающими агентами возбуждают в пласте акустическую кавитацию и достигают в нем раскрытия трещин, пор новых трещин , десорбции и изменения гидрои газопроницаемости. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Е 21 F 7/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4800441/03 (22) 01.02.90 (46) 30,06.92, Бюл. ¹ 24 (75) А.8.Бакулин (53) 622.817(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 112210, кл. Е 21 F 7/00, 1956.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1093829, кл. Е 21 F 7/00, 1983. (54) СПОСОБ ДЕГАЗАОИИ, УГОЛЬНЫХ .

ПЛАСТО8

Изобретение относится к горному делу и может быть. использовано для дегазации угольных пластов, управления состоянием и свойствами пород в массиве при отработке месторождений открытым или подземным способом.

Известен способ предотвращения выбросов угля и газа, включающий бурение скважин s кутках и по длине забоя. установку в них вибраторов и воздействие на массив виброимпульсной нагрузкой, причем бурят контрольный шпур, поинтервально определяют при его бурении скорость газовыделения и устанавливают зону максимума скорости газовыделения в каждом цикле, начиная с центральной части забоя, скважины по длине забоя бурят параллельно оси выработки за зону максимума скорости газовыделения, при этом вибратор устанавливают в зоне максимума скорости газовыделения и производят виброимпульсную нагрузку вначале в скважинах. распо- . ложенных в центральной части забоя, а затем в скважинах, расположенных по всему забою с частотами 0.5-0, 8 величины собственных колебаний.

„,5U, 1744271 А1 (57) Использование: дегазация угольных пластов при отработке месторождений подземным способом. Сущность изобретения; воздействием вибрационных нагрузок в частотном диапазоне 1000-1500 Гц в совокупности с нагнетанием горячей воды в пласт с расклинивающими агентами возбуждают в пласте акустическую кавитацию и достигают в нем раскрытия трещин, пор новых трещин, десорбции и изменения гидро- и гаэопроницаемости. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Известный способ трудоемок и нетехнологичен, поскольку установка вибратора по глубине скважины очень трудоемкая операция, способ не позволяет работать в выбранном. диапазоне частот и осуществлять синхронизацию работы группы виброисточников, поскольку они ударного действия, т.е. порода в месте контакта с вибратором разрушается, вследствие чего упругие колебания затухают на удалении 2-3 м от вибратора, мал КПД передачи энергии упругих колебаний в горные породы и практически невозможно работать в выбранном диапазоне частот.

Известен способ дегазации угольных пластов, включающий бурение скважин на дегазируемый пласт, заряжание скважины протяженным цилиндрическим элементом из расширяющегося при .инициировании материала, предварительное увлажнение угольного пласта, инициирование расширения элемента с возбуждением в пласте упpyrex колебаний и образованием новых трещин.

Известный способ трудоемок, нетехнологичен, не позволяет вести взрывные рабо1744271 ты без остановки технологических работ, взрывом возбуждают спектр частот 10 — 100 кГц, т.е. способ локален — первые несколько метров, взрыв невоспроизвадим и требует большого объема бурения шпуров.

Цель изобретения — снижение выбросоопасности дегазируемого угольного пласта путем увеличения равномерности гидроабработки за счет возбуждения в пласте упругих волн в диапазоне 10-1500 I ц.

Это достигается тем, что согласно способу скважины бурят с шагом 7 — 12 м, нагнетают в них горячую воду с температурой

60-80 С и с добавкой 2-3% поверхностноактивных веществ(ПАВ), размещают в скважинах элементы иэ магнитострикционного материала, воздействуют на него импульсами электрического напряжения с образованием упругих волн, осуществляют в пласте контроль величины деформаций сжатия и растяжения, контролируют скорость газоBûäåëåíèÿ из пласта и концентрацию метана в лаве, причем вначале виброваздействия осуществляют в диапазоне 10—

1000 Гц, а при смене деформаций сжатия в пласта на деформации растяжения — в диапазоне 1000 — 1500 Гц, при этом вибравоздействия прекращают в момент достижения в лаве концентрации метана, равной концентрации до вибровоздействия, Виброваздействие на угольный пласт осуществляют при минимальной амплитуде волны и постепенно повышают ее да значения, равного половине уровня разрушающих напряжений пласта.

Нагнетание воды осуществляют с добавлением 1 — 2 расклинивающих агентов с размерами частиц 0,5 — 1,0 мм и плотностью (2,6 — 3,2) . 10 г/м .

На фиг. 1 приведена схема реализации способа; на фиг, 2 — разрез А-А на фиг, 1, Способ осуществляют следующим образом, В выработке 1, пройденной в горном массиве 2 и примыкающей к пласту 3, бурят скважины 4 глубиной 3 — 5 м и диаметром

200 — 300 мм и заполняют на 2/3 их объема редкоземельным веществом 5, обладающим гигантской магнитострикцией. вставляют в него электроды 6 и подключают их к источнику 7 импульсного напря>кения. Величины и главные векторы напряжений определяют предварительно в специальна пробуренных шпурах, а затем размещают в этих шпурах аппаратуру для контроля напряженно-деформированного состояния горных пород в массиве до, во время и после вибравоздействия на угольный пласт 3. Затем в направлении одного из главных напряжений бурят по. длине забоя угольного

50 пласта скважины 8, герметизируют их и подсоединяют к гидрапульсэтору 9. Элемент представляет собой цилиндрическое тело из магнитострикционнаго материала, в качестве которого используют редкоземельные вещества 5 или их Goåäëíeíèÿ с добавкой 7-10 вяжущего быстротвердеющего цемента, Элемент совершает возвратно-поступательное движение относительно оси скважины при подаче импульсного напря>кения от источника 7, причем частоту, интенсивность и длительность возбуждаемых упругих волн регулируют изменением величины импульсного напря>кения и его параметров — частоты и длительности, Скважины 4 бурят на удалении друг от друга 2 — 3 длин волн основной часто ы, излучаемой при частоте 1000 Гц, и скорости Р-волн в пласте 2000 м/с, длина волны составляет 2 и, т,е, скважины 4 бурят на удалении друг ат друга 5-10 м. Это обусловлено тем, что на таких удалениях поле упругих напряжений ат источника распределено равномерно, в та время как на удалении. равном или меньшсм длины волны, оно неравномерно, Время воздействия -- приведение горного массива в неудэраапасное состояние при синхронной работе группы источников, регулируемое посредствам электронного пульта управления 10, зависит GT обвадненнасти пласта и горного давления -- веса Bbl шележащих пород. При синхронной работе груп ы IGToчников амплитуду их, :олебэпий поднимают от минимального до максимального уровня, определяемого уровнем достижения в пласте напряжений, равных 0.5 — 0,6 от разрушающих с таким условием, чтобы не вызывать динамических проявлений горного давления. Колебания вызывают в пласте волны сжатия и растяжения, причем в зоне разрежения упругой волны возникают гидроразрывы — мельчайшие пузырьки, заполненные газом и паром или их смесью, которые схлопыва.отся в зоне сжатия упру -ой волны. Вначале для приведения пласта в возбужденное состояние и повышение ега гидра- и аэродинамических свойств Воздействуют на пласт в диапазоне 10-":500 Гц и нагнетают в пласт воду с добавками ПАВ

2 — 3 /, при температуре до 80 С в совакупнссти с расклинивающими агентами с размерами частиц 0,5 — 1,0 мм и плотностью

2,6-3,2 г/м . Расклинивающие агенты, поз падая в поры и трещины пласта, не дают им

55 закрыться, служат новыми концентраторами напряжений и содействуют увеличе IHIO трещиноватости пласта и вмещающих пород. При смене деформаций с>кэтия де4>армациями растяжения — дастиженля оптимальной проницаемости пласта — виб1744271 ровоздействия прекращают и переходят на иной диапазон частот — (1000-1500) Гц для того, чтобы инициировать в пласте кавитирующие процессы, причем время схлопывания кавитирующих пузырьков и их энергию 5 определяют из выражений

Е=ро — я R и

4 . з

+Ли-1И. б 3. где (=- Бо! Ямину = 10, р = 2 10 гl м; Р,„с =

=100 МПа; RM H = 1 мм, R = 10 мм. 15

Получим, что энергия Е = 3,2 10 МПа з в импульсе и время схлопывания равно 2 10 з с. Такие импульсныедавления вызывают мощные гидродинамические возмущения в виде импульсов сжатия микро- и макроударных 20 вопн и потоков флюидов, порождаемых пульсируемыми пузырьками, Кроме того, схлопывание пузырьков вызывает сильный локальный разогрев, что сопровождается в свою очередь разложением метана.на атом- 25 ные составляющие, которые обладают большей проникающей и диффундирующей способностью, поскольку уголь и вмещающие породы представляют собой

"молекулярное" сито, в котором перерасп- 30 ределяются скопления метана за счет сотрясений и вибраций .в выбранном диапазоне частот, а также за счет того что

ПАВ выполняют работу сип расширения в пласте, вследствие чего поры и трещины в 35 нем становятся сообщающимися. В результате возникновения кавитирующих процессов пласт подвергается интенсивному воздействию, что проявляется в разрушении отдельных пачек угля и изменении сил 40 сцепления между ними и отдельными его пропластками, Работу группы виброисточников контролируют геомеханическими и геофизическими методами исследований, 45

Воздействуя на пласт вибрационными нагрузками, измеряют его напряженно-деформированное состояние. концентрацию и скорость газовыделения метана до, во время и после вибровоздействия, сопостав- 50 ляют эти параметры и по ним судят о достигнутом эффекте — дегазации угольного пласта, что способствует снижению динамических проявлений горного давления внезапным выбросам угля, породы и газа, 55 т.е, способствует повышению эффективности способа.

По истечении необходимого времени скважины 4 бурят в другом месте, разогревом вынимают элементы магнитострикци1с = RM-Н .— — - g — 1) г — — Я вЂ” 1) +

Рмакс онного материала из скважин и используют их в другом месте оставляют на старом, если сохраняется воэможность повторного использования их иа угольный пласт.

Сущность способа состоит в том, что под воздействием мощных вибрационных нагрузок, порождаемых виброисточниками, в пласте возникают на пути распространения волн волны сжатия и разрежения. Эти волны вызывают миграцию флюидов-жидкостей и газовых компонент; имеющих место в порах и трещинах пласта, а при нагнетании в пласт нагретых растворов в пласте имеют место кавитирующие процессы, которые содействуют перераспределению поля упругих напряжений в пласте, истечению газов из пор и трещин, т.е. дегазации пласта за счет сотрясений и вибраций и раскрытия новых пор и трещин при попадании в них расклинивающих агентов. Степень развития кавитации и характер ее протекания и воздействия на пласт изменяются при варьировании в пласте газвсодержания, гидростатического давления и температуры и порождает несимметричность процесса схлопывания кавитирующих пузырьков и приводит к распаду его на множество более мелких других, служащих новыми зародышами кавитирующих процессов. Кроме того, по мере удаления от источника знакопеременное давление изменяется, что в сочетании с избыточным давлением в пласте создает возможности для проявления кавитирующих процессов.

Вибровоздейстаия по предлагаемому способу позволяют осуществить перераспределение напряженно-деформированного состояния пласта на пути распространения мощных вибрационных нагрузок и миграции флюидов; свести к минимуму вероятность проявления динамики горного давления; создать условия для увеличения гидро- и аэродинамических связей в пласте; повысить эффективность способа дегазации.

Использование изобретения позволяет значительно снизить вероятность внезапHbIx выбросов угля породы и газа и снизить затраты на поддержание горного давления при отработке лавы по сравнению с классическими способами дегазации угольных пластов, не использующими вибровоздействия в выбранном диапазоне частот.

Ожидаемый зкономический эффект от внедрения изобретения составляет 43 тыс. руб. в год.

Формула изобретения

1. Способ дегазации угольных пластов, включающий бурение скважин на дегазируемый пласт, заряжание скважины протя1744271

А-А — 10

Фиг,2 б

Зиг.1

Составитель A.Áàêóëèí

Редактор 3.Ходакова Техред M.Моргентал Корректор Н.Ревская

Заказ 2177 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 женным цилиндрическим элементом из расширяющегося при инициировании материала, предварительное увлажнение угольного пласта, инициирование расширения эле-. мента с возбуждением в пласте упругих колебаний и образованием новых трещин, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью снижения выбросоопасности дегазируемого угольного пласта путем увеличения равномерности гидрообработки, скважины бурят с шагом

7-12 м, нагнетают в них горячую воду с температурой 60-80 С и добавкой 2 — 3% поверхностно-активных веществ, размещают в скважине протяженный цилиндрический элемент из магнитострикционного материала, воздействуют на него импульсами электрического напряжения с образованием упругих волн, осуществляют в пласте контроль величины деформаций сжатия и растяжения, контролируют скорость газовыделения из пласта. причем вначале вибровоздействие осуществляют в частотном диапазоне 10 — 1000 Гц, а при смене в пласте деформаций сжатия на деформации растяжения — в диапазоне 1000 — 1500 Гц, при этом

5 вибровоздействие прекращают в момент достижения концентрации метана в лаве первоначальной концентрации метана до вибро воздействия, 10 2. Способ по и. 1, о т л и ч à î шийся тем, что вибровоздействие на угольный пласт осуществляют при минимальной амплитуде волны и постепенно повышают ее до значения, равного половине уровня разру15 шающих напряжений.

3, Способ по и, 1, отличающийся тем, что нагнетание воды осуществляют с добавлением 1-2% расклинивающих агентов с размерами частиц 0,5-1 мм и плотно20 стью 2,6 — 3,2 10 r/м .