Способ разгрузки горного массива от напряжений

 

(и> ЩУ (и) (51) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4925987/03 (22) 05.04.91 (46) 15.12.93 Бюл. Na 45-46 (76) Бакупин Андрей Викторович (54) СПОСОБ РАЗГРУЗКИ ГОРНОГО МАССИВА

ОТ НАПРЯЖЕНИИ (57) Изобретение относится к горной промышленности и может быть предназначено для разгрузки горного массива от напряжений. Способ включает исследование строения и структуры горного мэссива и воздействие на его породы упругими колебаниями от виброисточников. Новым является то, что предварительно возбуждают в локальном участке горного массива упругие колебания и выявляют по ь II изменению скорости и затуханию упругих вопи геологические и тектоничсекие нарушения и разломы.

Ориентируют направление воздействия виброисточников в направлении простирания нарушений.

Нагнетают в скважины, пробуренные в зонах нарушений ПАВ, и другие разоупрочняющие растворы и изменяют этим напряженно-деформированное состояние горного массива. При снижении напряжений до уровня равного 05 от разрушающих напряжений, нагнетание разупрочняющих растворов прекращают и нагнетают в массив твердеющие растворы в течение времени, при котором прочность их достигнет 0,5 от проектной величины. 4 з.п. флы,4 ип.

2004823

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для разгрузки горного массива от накопившихся напряжений с использованием упругого миграционного геоэффекта и эффектов кавитации в горных породах при высоких РТ-параметрах при распространении в них упругих волн.

Известен способ разгрузки горного массива от напряжений методом сотрясательного взрывания, при котором согласно способу бурят веер скважин в направлении разгрузочного массива, заряжают их ВВ, и производят их замедленное взрывание (1), Известный способ трудоемок, не технологичен, не позволяет осуществлять раз- . грузку горного массива в выбранном диапазоне частот, практически невоспроизводим и небезопасен, действие взрыва неп редсказуемо и может создать удароопаЬную ситуацию вновь в другом месте.

Известен также способ разгрузки горного массива от напряжений, включающий исследование строения и структуры горного массива и воздействие на породы последнего упругими волнами от виброисточников (2).

Известный способ трудоемок, нетехнологичен, не использует для управления состоянием и свойствами пород свойства флюидов и упругий миграционный геоэффект, не позволяет управлять свойствами в выбранном диапазоне частот в совокупно-, сти с нагнетанием в массив разупрочняющих растворов.

Цель, изобретения — пОвышение производительности разгрузки за счет увеличения гидро- и аэродинамических связей пород.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу предварительно возбуждают в локальном участке горного массива упругие колебания, выявляют по изменению скорости и затухания упругих волн геологические и тектонические нарушения и разломы, ориентируют направление воздействия виброисточников в направлении простирания нарушения и нагнетают в скважины, пробуренные в зонах нарушений

ПАВ, и другие разупрочняющие растворы, измеряют напряженно-деформированное состояние горного массива и при снижении напряжений до уровня, равного 0,5 от разрушающих напряжений, действующих в горном массиве, нагнетание разупрочняющих растворов прекращают и нагнетают в массив твердеющие растворы в течение времени, при котором прочность растворов ,(остигает 0,5 величины их проектной мощ ос1и.

Амплитуду в знакопеременной упругой волне поддерживают на уровне 0,5 от величины разрушающих напряжений, действующих в массиве с таким условием, чтобы не

5 вызвать динамических проявлений горного давления

Для повышения гидро- и аэродинамических связей горного массива нагнетают в массив гидроокись натрия или гидроокись натрия с метанолом, нагретые до 80 C.

Нагревают породы в зоне нарушения до

30 С и выше и инициируют кавитирующие процессы при условии, что на пути распространения упругой волны размещаю участ10

15 ки нагретых пород

Контролируют напряженно-деформированное состояние массива до, во время и после вибровоэдействия.

На фиг. 1 приведена схема реализации способа, где 1 — горный массив. 2 — скважи20 на с размещенными в ней виброисточниками, 3- места геологических и тектонических нарушений, 4 — герметизи рующее устройство, 5 — обсадная труба, 6 — упруго-вязкое тело, 7 — импульсный источник напряжения для возбуждения электромагнитных и упругих колебаний, 8- виброисточники, 9 — блок согласования для синхронизации работы группы виброисточников, 10 — компрессор высокогодавления ЭУ-5 или ЭУ-7. 11- микропроцессорный блок, 12 — пультовый терминал, 13- блок памяти, 14- цифропечатающее устройство, 15- лазер накачки, 16 — световод

30 для подачи луча лазера в скважину; на фиг.2

35 — пороги кавитации на различных частотах; на фиг.3 — изменение радиуса кавитирующего пузырька Р во времени при постоянном давлении, где 1-Рр =10 Па и частоте 5 кГц. 25

Рр=5 10 Папричастоте10кГц.З-Рр =10

40 Па при частоте 1 кГц; на фиг.4 — геологические нарушения, выявленные по изменению скоростей сейсмических волн на частоте

1000 Гц со скоростью 2370 м/с в нарушении и скоростями в ненарушенном массиве по

45 обе стороны от нарушения соответственно

5360 и 5120 м/с при размере нарушения по простиранию, равным 160 м, где 1 — массив, . сложенный рисчорритами, 18- горная выработка, 19 — геологическое нарушение.

50 Способ осуществляют следующим образом: на глубине скважины 2, пробуренной в торце нарушения 3 горного массива 1 с шагом 1/16 длины волны основной частоты, излучаемой в массив 1, размещают группу

55 виброисточников 8. В месте проведения импульсного массированного гидрораэрыва (ИМГ) в зоне нарушения для увеличения трещиноватости и проницаемости пород между обсадной трубой 5 и стенкой скважины 2 размещают упруго-вязкое тело 6, причем в

2004823 качестве материала упруго-вязкого тела 6 используют редкоземельные вещества или их соединения, обладающие гигансткой магнитострикцией (Открытия советских ученых — M, МГУ, 1988, с.332. открытие М 225) 5 с добавкой 10 тонкозернистого цемента е качестве вяжущего. С помощью датчиков давления горных пород определяют поле напряжений и главные векторы до, во время и после вибровоэдействия в локальном уча- 10 стке массива горных пород, где нужно ослабить напряжения.

Параметры виброисточников 8 и размеры скважин 2 выбирают исходя из оптимальных условий волнового подобия, а именно 15 диаметр скважин Ф300-500 мм и глубину скважин 8-"15 м для возбуждения мощных аибрационных колебаний в диапазоне 601500 Гц, при которых имеет место максимальная закачка упругой энергии в тело 20 геологического нарушения и составляющая от 3 до 16 всей запасенной в источнике энергии от компрессора 10 — от 60 до 300 атм и более. Глубина размещения виброисточников 8 оптимальна величине давле- 25 ния, обеспечиваемого столбом воды е скважине 2, которая определена экспериментально при исследованиях в морской сейсморазведке на акваториях и составляет для диапазона 60-1500 Гц от 10 до 250 атм. 30

Источники 8 размещают на удалении. друг от друга 1/16 длины. волны основной частоты, излучаемой в массив 1. При скорости Р-волн в жидкости скважины равной

1500 м/с длины волк на частотах а) 60 Гц ... 35

- (1500 м/с)/(60 Гц) = 25 м, б) 1500 Гц ... = 1 м, и составляет в среднем 1-3 м. Это вызвано тем, что на таких удалениях поле упругих напряжений, генерируемое виброисточни, ком, распределено равномерно, и позволя- 40 ет легко осуществлять синхронизацию работы группы виброисточников.

Время синхронной работы группы виброисточников — их синхронной работы при приведении локального участка горного 45 массива, где производят гидроразрыв, в возбужденное состояние, регулируется посредством электронного пульта управления, включающего блок согласования 9 и компрессор 10, и зависит от обводненности 0 пород в массиве и геоь|еханических условий их залегания, глубины расположения пород и степени их трещиноватости, причем импульс сжатого воздуха, подаваемый в источник от компрессора, преобразуется 55 тензодатчиками, встроенными в источник в электрический сигнал, и подается на вход информационнЬ-измерительного «омплекса (ИВК), в который входят блоки 11 — 14, и с помощью ИВК осуществляют синхрониэацию работы группы виброисточникоа ао времени посредством сопоставления эталонных импульсов давления, полученных в лабораторных условиях с импульсами, получаемыми в массиве, и по заранее заданной программе производят корректировку работы группы виброисточников в выбранном диапазоне частот.

С использованием Фурье-устройства. встроенных в ИВК, определяют спектры полученных импульсов давления, сопоставляют с эталонными импульсами и осуществляют корректировку и управление работой группой виброисточникоа ео времени до достижения положительного эффекта и выбирают оптимальный режим нггружения горного массива во время проведения гидроразрыва, при котором не индуцируются остаточные напряжения, и осуществляют контроль скорости нагружения.

При синхронной работе группы виброисточников их амплитуду медленно поднимают от минимального до максимального уровня, определяемого уровнем напряжений в горном массиве и равном 0,5 от величины разрушающих напряжений пород, слагающих массив, с таким условием, чтобы не вызвать динамических проявлений горного давления.

Осуществляя регистрацию сейсмических колебаний на значительных удалениях от виброисточника, обрабатывают полученную геоакустическую информацию, анализируют ее и по изменению скорости или затухания сейсмических волн выявляют геологические и тектонические нарушения в массиве, ориентируют виброисточники в направлении простирания этих нарушений и воздействуют на массив упругими колебаниями в выбранном диапазоне частот. Колебания вызывают в массиве относительную подвижку структурных элементов, перераспределение поля упругих напряжений на пути распространения упругих волн и частичную дегаэацию локального участка горного массива, подверженного вибровоздействиям. Эти явления имеют место как при работе группы виброисточников, так и в случае работы одного источника.

Работу группы виброисточникое Контролируют геомехническими и геофизическими методами исследований, а именно: методом разгрузки с использованием тензодатчиков; с использованием сейсмических методов, или методов с использованием сейсмоакустической или электромагнитной эмиссии.

Вибровоэдейстаия на горный массив осуществляют поэтапно;

2004823 — вначале приводят массив в возбужденное состояние в диапазоне 60-1500 Гц в совокупности с нагнетанием и других раэуп.рочняющих растворов и вибровоздействия осуществляют в течение времени; при кото. ром деформации сжатия в горном массиве не перейдут в деформации растяжения, что соответствует оптимальной пройицаемости массива; — затем переходят на частоту собственных колебаний горного массива, то есть вибровоэдействия производят в резонансном режиме; — после чего переходят на частоту вибровоэдействия, равную частоте нагнетания рабочей жидкости в скважину и вибровоэдействия осуществляют в течение времени, при котором достигают положительного эффекта-разгрузки горного массива от нако .. пившихся напряжений.

Параметры вибровоздействия задают для всех виброисточников одинаковыми: частоту, длительность и интенсивность при неизменных контактных условиях и, воздействуя на массив вибрационными колебаниями, изменяют его напряженно-деформированное состояние и при достижении в массиве напряжений, равных по величине 0 5 от разрушающих, вибровоэдействия прекращают и нагнетают в массив скрепляющие растворы с частотой нагнетания растворов в скважины.

Таким образом, горный массив обрабатывается всеми видами сжимающих и растягивающих нагрузок в широком диапазоне частот в резонансном режиме нагружения. что способствует увеличению проницаемости пород в массиве, снижению прочности пород на разрыв от 20 до 40 и разгрузке горного массива от напряжений и снижению удароопасности пород в массиве.

ffo истечении необходимого времени виброисточники выключают и переносят на новое место или оставляют на старом, если сохраняется повторная возможность их ис. пользования при получении положительного эффекта.

Чтобы снизить вязкость пластовой жидкости и увеличить степень ее проникновения в поры и трещины пород массива и тем самым снизить прочность пород на разрыв, последовательно возбуждают: а) мощные ультразвуковые колебания посредством луча лазера, подаваемого световодом 16 от лазера накачки жидкости 15 в скважины 2 в месте разгрузки массива от напряжений в диапазоне 1-10 кГц; б) затем лазер выключают и посредством электродов подают на материал 6, которым заполнено пространство между обсадной трубой 5 и стенкой скважины 2, причем в качестве материала используют интерметаллические соединения редкоземельных веществ, обладающих гигачтской

5 магнитострикцией, импульсы напряжения от источника 7 и возбуждают в редкоземельном веществе электромагнитные колебания, до 50ф которых переходит в упругие колебания, причем нараметрамиупругих ко10 лебаний управляют, изменяя частоту и величину возбуждающего напряжения.

Аналогичным образом управляют параметрами упругих волн, изменяя частоту, длительность и интенсивность луча лазера

15 15, Возбуждая в массиве ультразвуковые колебания в выбранном диапазоне частот в совокупности с нагнетанием в породы ПАВ, гидроокиси натрия или гидроокиси натрия с метанолом, нагретых до 80 С, инициируют

20 в массиве кавитирующие процессы, которые в совокупности с расклинивающими агентами, в качестве которых используют. сажу, песок и другие минеральные добавки с размерами частиц 0,03-0,5 мм и плотно25 стью 2600-4800 кг/м в зависимости от величины геостатического давления, обусловленного весом вышележащих пород. Проявление кавитирующих процессов способствует тому, что проницаемость по30

55 род в массиве значительно возрастает, причем упругая волна, представляющая собой зоны сжатия и растяжения, действует как тектонический насос и флюиды-жидкости и газы, содержащиеся в порах, трещинах и геологических нарушениях, перемещаются во много раз быстрее, чем в отсутствие упругой волны, что в свою очередь способствует проявлению кавитирующих процессов на пути распространения упругой волны при условии, что направление упругой волны совпадает с направлением простирания геологического нарушения; частота упругой волны близка к частоте собственных колебаний флюидов в порах, трещинах и геологических йарушениях; наличие твердых включений во флюидосодержащих растворах на пути распространения волны, Расклинивающие агенты, вводимые в технологические растворы, не дают порам и трещинам закрыться и служат новыми концентраторами пор и трещин в массиве, что способствует также увеличению трещиноватости массива и его проницаемости при нагнетании в массив растворов.

Преимущества способа состоят в том, что размещение виброисточников в зоне геологического нарушения или тектонического разлома по предлагаемому способу позволяет осуществить:

d)04823

Формула изобретения творов прекращают и нагнетают в массив твердеющие растворы в течение времени, СПОСОБ РАЗГРУЗКИ ГОРНОГО 20 при котором прочнос ь растворов достигаМАССИВА ОТ НАПРЯЖЕНИЙ, включаю . ет 0,5 величины проектной прочности, щий исследование стРоения и структуры 2. Способ по п.1, отличающийся тем, горного массива и воздействие на поРод что амплитуду давления в знакопеременпоследнего УпРУгими волнами от вибРо ной упругой волне поддерживают на уровoThH a Éca тем, RTo, c 25 не 0 5 величины Разрушающих целью повышения производительности напряжений, действующих в массиве, для

Разгрузки за счет УвеличениЯ гиДРо предотвращения динамических проявлеаэРодинамических свЯзей пород, предва- ний горного давления. рительно возбуждают в локальном учасгке

3. Способ по п,1, отличающийся тем, ю о изменению скорости и затуханию что для повышения гидро- и азродинамичегорного массива упругие колебания, выяв- 30 . ляют по изменению скорости и затуханию упругих волн геологические и тектониче- ских связей горного массива в массив наские нарушения и Разломы, ориентируют гнетэют Гидроокись натРиЯ или гидРоокись направление воздействия виброисточни- натрия с метанолом, нагРетые до 80 С, ков в направлении простирания наруше- 35, .4. Чпособ по п,1, отличающийся тем, ний и нагнетают в скважины, пробуренные что в зоне нарушения породы нагревают в зонах нарушений ПАВ и другие разуп- до 30 С и выше и инициируют кавитируюрочняющие растворы, измеряют напря- щие процессы путем расФространения упженно-деформированное состояние ругой волны через нагретые участки пород. горного массива и при снижении напряже- 5. Способ no n.1, отличающийся тем, ний до уровня, равного 0,5 от разрушаю- что контролируют напряженно-деформирощих напряжений, действующих в горном ванное состояние массива до, во время и массиве, нагнетание разупрочняющих Рас- после.вибровоздействия. перераспределение поля упругих напряжений на пути распространения упругих волн; закачать в массив упругую энергию в выбранном диапазоне частот; управлять состоянием и свойствами пород в массиве; снизи1ь вероятность проявления динамики горного давления; повысить эффективность способа за счет снижения энергоемкости и увеличения его производительности.

Использование предлагаемого изобретения позволяет значительно снизить энергоемкость способа и увеличить его производительность за счет уменьшения объема буровых работ по сравнению с имеющимися классическими способами разгрузки массива, например, методом

5 сотрясательного взрывания. (56) Указания по безопасному ведению горных работ при строительстве и эксплуатации Северо-Уральского бокситного

10 рудника, подверженных горным ударам.—

Л.: ВНИИМИ, 1982.

Управление свойствами и состояйием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шах ах. — М.: 1984, 15 с.110 — 112.

2004823

2004823

Составитель H.Ðóäåíêî

Техред М.Моргентал

Корректор М.Слюка

Редактор Е.йолианова

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

Заказ 3391

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