Способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа при проведении горных выработок

 

Использование: горнодобывающая промышленность , подземная разработка месторождений , опасных по внезапным выбросам угля и газа, технология проведения горноподготовительных выработок. Сущность изобретения: при проведении выработок смешанным забоем из забоя бурят шпуры, герметизируют их, нагнетают рабочую жидкость в режиме гидроотжима, определяют размер зоны с максимальной концентрацией напряжений, при этом шпуры по пласту угля бурят на глубину b bi+b, где bi - размер неустойчивого слоя; Ь2 - размер устойчивой части слоя, через породную пробку бурят технологическую скважину , пересекающую пласт за зоной максимальной концентрации напряжений и нагнетают в эту скважину жидкость с давлением 0,1 jH g 0,3 JH, но не более 0,5 jH, где -средняя плотность пород; Н-глубина расположения выработки, нагнетание производят до выдвижения массива угля в сторону обнажения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Е 21 F 5/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН Я

О 4 (л)

К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ (21) 4821171/03 (22) 19.02.90 (46) 23.01.93. Бюл, N 3 (71) Днепропетровский химико-технологический институт (72) B.À. Олейник, В.А, Марголин, В.И. Дегтярев, А.А, Быков и Е.А. Воробьев (56) Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа. М,:

Недра, 1977, с. 77 — 81.

Там же, с. 73 — 77. (54) СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА ПРИ

ПРОХОЖДЕНИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК (57) Использование: горнодобывающая промышленность, подземная разработка месторождений, опасных по внезапным выбросам угля и газа, технология проведеИзобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для предотвращения внезапных выбросов угля и газа при прохождении горных выработок и вскрытии выбросоопасных пластов.

Известен способ предотвращения выбросов в подготовительных забоях путем гидровымывания опережающих полостей, заключающийся в вымывании в пачке нарушенного угля полостей на длину, равную удвоенной величине неснижаемого опережения.

Недостатком известного способа являются оставление целиков между полостями, способствующее повышению напряженного состояния массива, и ограниченное применение, обусловленное крепостью угля не

„,5U„„1789732 А1 ния гор ноподготовител ьн ых выработок, Сущность изобретения: при проведении выработок смешанным забоем из забоя бурят шпуры, герметизируют их, нагнетают рабочую жидкость в режиме гидроотжима, определяют размер зоны с максимальной концентрацией напряжений, при этом шпуры по пласту угля бурят на глубину Ь = Ь1+Ь, где Ь1 — размер неустойчивого слоя; Ь2— размер устойчивой части слоя, через породную пробку бурят технологическую скважину, пересекающую пласт за зоной максимальной концентрации напряжений и нагнетают в эту скважину жидкость с давлением 0,1 )Н g 0,3 jH, но не более 0,5 jH, где) — средняя плотность пород; Н вЂ” глубина расположения выработки, нагнетание производят до выдвижения массива угля в сторону обнажения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. более 0,6 по шкале М.М. Протодъяконова, в то время, как большинство углей выбросоопасных пластов имеют крепость более 0,6.

Известен способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа, включающий бурение скважины в горный массив, размещение и герметизацию в ней инъектора и нагнетание жидкости в режиме гидроотжима (прототип).

Однако этот способ также недостаточно эффективен, так как область его применения очень зависит от горногеологических характеристик пласта, поскольку при нагнетании в угольный пласт воды гидроотжим на заданную длину не п редставляется возможным осуществить.

1789732

b = b1+bz, 3

b1 —, I а Ьг из соотношения

bz—

Целью изобретения является повышение темпов проведения выработки и безопасности труда за счет увеличения зоны разгрузки выбросоопасного пласта.

Поставленная цель достигается тем, что шпуры бурят по пласту на величину Ь, определяемую из выражения где Ь1 — размер неустойчивого слоя, определяют из соотношения где А, В, С вЂ” коэффициенты определяемые по зависимости

1 в пЯ

1 + sin p 1 + sin р

С = 3+ 2 sin p — sin р, затем производят бурения технологической скважины через породную пробку под углами к оси выработки и горизонту с учетом вхождения забоя скважины в пласт за зоной максимальной концентрации напряжений и пересечения пласта на полную мощность, обустраивают заслонкой и производят циклические знакопеременные нагрузки на пласт раба I.",,".", агентом под давлением 0,1

jH = ц «0,3)Н, но не более 0,5 jH до выхода рабочей жидкости из шпуров, выделившийся объем газа регистрируют измерительной аппаратурой, нагнетают через шпуры рабочую жидкость до сдвижения угольного массива в сторону забоя, при этом интенсивность гидроотжима регистрируют сейсмоакустической аппаратурой и по показаниям манометра, а затем создают давление рабочей жидкости в технологической скважине до значения 1,0 — 1,5 jH и гидроотжим осуществляют одновременно через технологическую скважину и шпуры до сдвигания призабойной части угольного массива в сторону забоя или обильного выхода рабочего жидкости в выработку через грудь забоя, Анализ патентной и научно-технической литературы показал, что предлагаемое техническое решение отличается от известных следующей совокупностью признаков;

55 по пласту на толщу предохранительного целика бурят шпуры; по породе на пласт бурят технологическую скважину под углами к оси выработки и горизонту и пересекающую пласт на полную мощность; забой технологической скважины входит в пласт за зоной максимальной концентрации напряжений; циклические знакопеременные нагрузки на пласт осуществляют рабочей жидкостью через технологическую скважину под давлением 0,1 j H «9 «0,3 j H, но не более 0,5 н; знакопеременные нагрузки на пласт осуществляют до достижения границей зоны разупрочненного угля забоев шпуров и истечения через них газа; выделившийся через шпуры объем газа регистрируют измерительной аппаратурой; уменьшают размер устойчивой части слоя и увеличивают площадь разупрочненного угля путем гидроотжима угольного массива в сторону забоя; при осуществлении гидроотжима через шпуры интенсивность его регистрируют сейсмоакустической аппаратурой и по показанию манометра, установленного на заслонке технологической скважины; после гидроотжима пласта через шпуры гидроотжим осуществляют одновременно через технологическую скважину и шпуры до сдвижения призабойной части угольного массива в сторону забоя или обильного выхода рабочего агента в выработку, Указанная совокупность признаков является совокупностью неизвестных существенных признаков, так как все эти признаки непосредственно влияют на достижение поставленной цели, а отсутствие хотя бы одного из них в предлагаемой совокупности не позволит достичь цели изобретения, т.е. повысить эффективность способа за счет увеличения зоны разгрузки выбросоопасного угольного пласта, Пробуренные шпуры позволяют предохранить размер устойчивой части слоя bz от самопроизвольного разрушения за счет выхода через них газа в забой выработки при достижении границей зоны разупрочненного угля забоев шпуров, Дополнительно шпуры могут быть использованы для прогноза выбросоопасности пласта.

Бурение технологической скважины по породе на пласт с перебуриванием пласта на полную мощность с вхождением забоя скважины в пласт за зоной максимальной концентрации напряжений позволяет предотвратить возникновение внезапного выброса угля и газа при ее бурении, увеличить

1789732

V! S

100

1

А = 1 +0588 =063;

0,588

В =1+0588 =0,37

Ь1—

1,8 10

Х3 =0,346 м;! =т

1 7 1 3 0,809

Чг= „ Q„+t;

Ь2

= 3,42м;

V, Яуд =—

Чу чения 0,1 jH, т,е, до 2,5 МПа, исключая выход газа в выработку. Величины давления рабочей жидкости в скважине контролируют по показаниям манометра, Значения верхнего и нижнего пределов давления рабочей жидкости позволяют создать нагрузки на пласт, близкие к частоте отрыва слоя угля при протекании газодинамических процессов. Циклическое воздействие на пласт повторяют до достижения зоны разупрочненного угля забоев шпуров 3 и истечения через них газа.

Размер неустойчивого и устойчивого слоев

Ь1+Ь2, перебуриваемых шпурами 3, заблаговременно определяется расчетным методом, Например, при j-25 кН/м, Н = 1000 з, M;d=3M;m=1M;a=60о,Е=1,8 10 МПа;

К=О, МПа;р=36 ; g =7 МПа; и =1; jH =25

МПа.

С = 3 + 2 0,588 — (0,588) = 3,831

4 0,5(3+1+0,588(3 — 1)cos120 )0,588

b = 0,346 + 3,42 = 3,766 м. locne разупрочнения пласта 2 в глубине забоя давление в скважине сбрасывают до нуля, заслонка закрыта. В шпу . 3 досылают гибкие гидрозатворы и создают давление рабочей жидкости g = 1,0-1,5 jH до сдвижения угольного пласта в сторону забоя. Интенсивность гидроотжима контролируется сейстоакустической аппаратурой и по увеличению давления в скважине 4 — по показанию манометра. После выполнения гидроотжима через шпуры создают давление в скважине 4, равное g = 1,0 Н, и одновременно через шпуры 3 и скважину 4 производят гидроотжим пласта, сдвигая его в сторону забоя или до обильного выхода рабочей жидкости в забой выработки, При слабых и перетертых углях с крепостью f< 1 по шкале Протодьяконова после разупрочнения пласта 2 в глубине забоя через скважину 4 гидроотжим пласта осуществляют сразу в сторону забоя путем создания давления рабочей жидкости в скважине 4 и шпурах 3 одновременно при g = 1,0 — 1,5 jH.

Контроль эффективности разупрочне5 ния угольного пласта при циклическом воздействии через скважину 4 и гидроотжиме осуществляют датчиками концентрации метана по показателю удельного газовыделения. Для этого в сечении замерной станции, 10 где установлен датчик контроля концентрации метана, например, в 100 м от забоя выработки, определяют дебит выделяющегося газа и его общее количество в процессе циклического воздействия на пласт и при

15 гидроотжиме.

Дебит метана в конкретный момент времени определяется из выражения где Q« — дебит метана в i-й момент времени;

V — скорость движения газовоэдушной смеси в i-й момент времени;

25 С! — концентрация метана в i-й момент времени;

S — площадь сечения выработки у замерной станции.

Общее количество выделившегося газа

30 (Ч,) определяется из выражения

35 где ti — время с конкретным значением Ci концентрации метана при циклическом воздействии или при гидроотжиме.

Одновременно с записью концентрации метана и скорости движения гаэовоздушной смеси определяют объем разрушенного угля, извлеченного через технологическую скважину, и объем разупрочненного при гидроотжиме и определяют

45 удельное газовыделение где Vy — объем разрушенного и разупрочненного угля при циклическом воздействии на пласт и от сдвижения в сторону забоя.

Обработка пласта считается эффективной, если gyz 0,15-0,3, а выдвигание

55 Угольного забоЯ составит 0,02 1г, где 1г— глубина герметизации шпура, или произойдет обильный выход рабочей жидкости на забой выработки.

Дополнительно эффективность разупрочнения угольного пласта при цикличе1789732 в 5 и более раз обнаженную скважиной поверхность угля, что позволит во столько же раз увеличить площадь контакта рабочей жидкости с поверхностью газонасыщенного угля, увеличить газовыделение через обнаженную поверхность и, следовательно, увеличить работу газа по разрушению угля при циклическом воздействии.

Признак циклического воздействия рабочим агентом на пласт с параметрами давления 0,1 jH g 0,3/Н, но не более 0,5 jH и его раскачку с целью перевода угля в подвижное состояние позволяет ускорить разупрочнение угля и увеличить зону разгрузки пласта. Верхний предел давления 0,3 jH позволяет оттеснить газообразные продукты в систему мелких трещин. Нижний предел давления 0,1 jH позволяет сбрасывать угольную пульпу в выработку без выхода газа, энергоносителя послойного разрушения угля. Кроме того, значения верхнего и нижнего пределов давления рабочей жидкости позволяет создать нагрузки на пласт, близкие к частоте отрыва слоя угля при протекании газодинамических процессов. Максимальные значения давления в скважине не должны превышать 0,5 jH для исключения гидроразрыва пласта, Воздействие на пласт знакопеременной нагрузкой позволяет образовать зону разупрочненного угля, Признак гидроотжима пласта через шпуры, а затем через шпуры и скважину одновременно позволяет увеличить зону разгрузки пласта, увлажнить пласт и снизить запыленность исходящей струи воздуха при взрывных работах, Признак гидроотжима через шпуры в направлении разупрочненного угля позволяет уменьшить размер устойчивой части слоя целика сдвигаемой затем в сторону забоя путем нагнетания рабочей жидкости одновременно в скважину и шпуры, повышая качество выполнения процесса гидроотжима. Контроль эффективности выполнения циклического воздействия по ,разупрочнению угольного пласта и гидроотжима контролирует датчиками коцентрации метана через показатель — удельное газовыделение.

Совокупность признаков: бурение шпуров на размер устойчивой части слоя, технологической скважины с заданными геометрическими параметрами, циклическое воздействие на пласт до достижения границей зоны разупрочненного угля забоев шпуров образуют новую связь признаков, т,к, позволяют использовать полученные в процессе циклического воздействия новые физико-механические свойства пласта, увеличить зону разгрузки

55 пласта, предотвратить разрушение призабойной его части при раскачке и переводе угля в подвижное состояние, Следовательно, каждый иэ приведенных в формуле изобретения признаков, отдельно взятый, необходим, а все отличительные признаки, вместе взятые, достаточны для того, чтобы отличить данный объект изобретения от других объектов того же назначения и характеризовать его в том качестве, которое проявляется в положительном эффекте, Отсутствие одного из вышеуказанных признаков в совокупности не дает возможности получить положительный эффект, который является целью изобретения и лишь его наличие в совокупности обеспечивает получение искомого результата, На основании изложенного можно сделать вывод, что указанные признаки являются новыми существенными признаками, а заявляемое техническое решение соответствует критериям охраноспособности "новизна", "существенные отличия", "положительный эффект".

Предлагаемый способ возможно использовать для безопасности прохождения пластовых выработок, а также при вскрытии выбросоопасных пластов.

На фиг. 1 и 2 приведены поперечное сечение и продольный разрез выработок при прохождении их по пластам крутого и полого падения.

Способ осуществляют следующим образом.

Из забоя подготовительной выработки

1 на пласт 2 бурят шпуры 3, а через породную пробку на пласт бурят технологическую скважину 4 под углом к горизонту, например, 5 — 10 с учетом вхождения забоя скважины в пласт на расстояние 5 — 7 м от забоя выработки с перебуриванием, пласта на полную мощность, где 5 — след пласта.

В скважину 4 досылают стальные трубы с заходом их в угольный пласт, например, на

1/4 длины .скважины, пройденной по углю, диаметром до 110 мм, герметизируют вяжущим раствором и обустраивают устье скважины гидродинамической системой (заслонка, спаренная по направляющей с гидроцилиндром), высоконапорной арматурой и измерительными приборами. Циклическое воздействие на пласт Осуществляют путем создания в скважине при закрытой заслонке нагрузок с верхним пределом 0,3

)Н, что для глубины, например, 1000 м составляет 7,5 МПа, для оттеснения рабочей жидкости, например, водой газа в систему мелких трещин. Сброс давления рабочей жидкости в скважине осуществляют до зна1789732

l0 ском воздействии и гидроотжиме пласта определяется по возрастанию часовой шум, ности пласта в 2 раза и более по сравнению со средним уровнем шумности, определяемой сейсмоакустической аппаратурой. 5

По сравнению со способом, выбранным в качестве прототипа, предлагаемый способ предупреждения внезапных выбросов угля и газа при прохождении пластиковых выработок позволяет 10 производить разупрочнение и разгрузку пласта в глубине массива при циклическом воздействии на пласт рабочим агентом; создать знакопеременные нагрузки на пласт, близкие к частоте отрыва слоя угля 15

b1 4 ьг—

Формула изобретения

1. Способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа при прохождении горных выработок, включающий бурение из забоя выработки шпуров, их герметизацию, нагнетание в шпуры жидкости в режиме гидроотжима и определение зон максимальной концентрации напряжений, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью повышения темпов проведения выработки и безопасности труда за счет увеличения размеров зоны разгрузки выбросоопасного пласта, шпуры по пласту угля бурят на величину Ь, определяемую из выражения Ь= Ь |+Ьр, где Ь1 — размер неустойчивого слоя, определяемый из соотношения где А, В, С вЂ” коэффициенты определяемые по зависимостям д1 + sinp 1 + sin р

С=3+2 sinр — я п р, где Р— угол внутреннего трения угля; а — угол падения пласта; у — плотность пород;

H — глубина расположения выработки;

Š— модуль Юнга для угля; а Ь вЂ” размер устойчивой части слоя, определяемый из соотношения: где n — коэффициент запаса прочности угля;

g — давление рабочей жидкости в скважине;

55 при протекании газодинамических процессов; повысить качество процесса отжима за счет возможности выдвигания пласта в сторону забоя выработки через шпуры, а также через шпуры и технологическую скважину одновременно; повысить технико-экономические показатели, предъявляемые к аналогичным способам, т.к. содержит операции, направленные на создание разветвленной системы трещин при выемке угля в процессе циклического воздействия и гидроотжима пласта, увеличить зону разгрузки пласта, составляющую до 20 м.

m — мощность пласта;

d — диаметр выработки;

К вЂ” коэффициент сцепления вещества угля, затем производят бурение технологической скважины через породную пробку под углом к оси выработки и к горизонту с учетом вхождения забоя скважины в пласт за зоной максимальной концентрации напряжений и пересечения пласта на полную мощность, обустраивают ее заслонкой и производят циклические знакопеременные нагрузки на пласт рабочей жидкостью под давлением

0,1jH

gva 0,15 — 0,3 и выдвигании угольного массива не менее 0,02 12, где iz — глубина герметизации шпура.

1789732

Составитель В.Олейник

Техред М.Моргентал Корректор Т,Вашкович

Редактор Т.Куркова

Заказ 337 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