Способ предотвращения газодинамических явлений при проходке подготовительных выработок

 

Изобретение относится к угольной промышленности и предназначено для предотвращения горных ударов и внезапных выбросов угля, породы и газа при проходке подготовительных выработок. Способ включает определение месторасположения трещин в массиве, поэтапное поинтервальное бурение и герметизацию скважин по оси выработки нормально трещинам с отклонением азимута последних от нормали к оси выработки не более ± 15° Новым является то, что определяют расположение систем крутопадающих кливажных трещин. Бурение скважин на каждом этапе осуществляют на интервале массива горных пород, кратном расстоянию между соседними системами кливажных трещин. Расстояние отмеряют от ближайшей к забою трещины. Нагнетание воды до отжима забоя производят на первом этапе. На последующих этапах воду нагнетают до падения давления. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке угольных пластов, склонных к горным ударам и выбросам для предотвращения газодинамических явлений при проходке подготовительных выработок.

Известен способ предотвращения внезапного выброса горной массы и газа [1] включающим бурение скважины в горный массив, вымывание ряда полостей, герметизацию в скважине инъектора и нагнетание жидкости в режиме гидроотжима последовательно с последней от устья полости к устью скважины. Способ имеет следующие недостатки: высокие трудовые затраты и долгий период реализации ввиду необходимости трудоемких и плохоуправляемых операций по вымыванию полостей; низкую эффективность вследствие невозможности осуществления гидроотжима удаленных от устья скважины участков массива из-за их объемного зажатия вмещающими породами.

Известен способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа [2] включающий нагнетание жидкости в перемятые, ослабленные пачки угля с колебаниями давления с частотой 200-100 Гц.

Способ трудоемок вследствие сложной организации колебаний давления и длительного периода его воздействия, необходимого для достижения цели. Кроме того эффективность способа недостаточна вследствие того, что слабые и перемятые породы сильно гасят колебания давления.

Наиболее близким к предлагаемому является способ [3] включающий определение месторасположения трещин в массиве и поэтапное поинтервальное бурение скважины по оси выработки, ее герметизацию и нагнетание жидкости в массив горных пород до отжима забоя выработки. Способ недостаточно эффективен вследствие неконтролируемого увлажнения по трассе планируемого проведения выработки, когда нагнетаемая жидкость может "обогнуть" участки массива, склонные к газодинамическим явлениям и "уйти" по трещинам к тектоническим нарушениям. Кроме того значительны затраты на бурение, поддержание, оборудование скважины на всю длину. Азимут трещин отклонен от нормали к оси выработки не более ±15^о.

Целью изобретения является повышение эффективности предотвращения газодинамических явлений при сокращении затрат и времени на реализацию защитных мероприятий.

Цель достигается тем, что нагнетание воды через скважину осуществляют поэтапно, причем на первом этапе производят нагнетание от устья скважины вглубь массива до отжима забоя выработки, а на последующих до падения давления, при этом бурение, герметизацию и нагнетание на каждом этапе осуществляют через интервал массива горных пород, кратный расстоянию между соседними системами кливажных крутопадающих трещин, азимут которых ориентирован нормально к направлению оси выработки с отклонением ±15^о и отмеряемому от ближайшей к забою трещины.

Вторым отличительным признаком является то, что скважину проводят на проектную длину, при этом устанавливают трещиноватые и разгруженные от горного давления зоны, в которых затем осуществляют нагнетание.

С целью обеспечения надежности проведения защитных мероприятий параллельно первой скважине бурят вторую и операции гидроотжима повторяют из второй скважины, при этом интервалы нагнетания располагают в трещиноватых зонах, приуроченных к середине соседних интервалов нагнетания первой скважины.

На чертеже показаны операции поэтапного приведения в безопасное состояние участка массива по трассе планируемой подготовительной выработки.

Выработку 1 проходят по выбросоопасному пласту 2. Для обеспечения безопасных условий проведения по оси выработки проводят скважину 3. Вначале на I этапе ее проводят на удаление 2-5,5 м (в зону 4), определяемое инструктивными документами для гидроотжима. Скважину герметизируют таким образом, чтобы фильтрующая часть составляла не более 0,3 м и нагнетают воду 5 под давлением Р_max≥0,75γН + Р_с, кгс/см², где Р_с потери напора в гидросети. На первом этапе допускается проведение второй дополнительной скважины и отжим нагнетанием в обе скважины. После выдвижения забоя на 10-15 см отжим прекращают и продолжают бурение первой скважины к зоне 6. Расстояние, на которое необходимо бурить скважину на втором этапе, определяют следующим образом. По данным геолого-маркшейдерских замеров строят розу трещиноватости и определяют частоту и усредненное расстояние между системами крутопадающих трещин (угол падения свыше 60^о), ориентированными вкрест оси выработки, с отклонением от нормали ±15^о. Длину бурения на втором и последующих этапах определяют кратным 2 х 3 х и n от ближайшей к забою трещины, но преимущественно не более максимального угольного целика, при котором возможен гидроотжим 6 м. Затем повторяют операции нагнетания до снижения давления до величины Р_к≈30 + Р_с, кгс/см². Таким образом производят поинтервальную обработку угленосной толщи по трассе выработки.

В условиях особой выбросоопасности или сложных горно-геологических условиях вначале проводят скважину по оси проходки выработки. При этом по характеру, количеству, качеству штыба определяют зоны, перемятые и разгруженные от горного давления (минимальные выходы штыба при максимальной влажности, в которые затем, начиная от ближайшей к устью скважины, нагнетают жидкость до гидроотжима). Для обеспечения высокой надежности способа параллельно первой скважине бурят вторую. Однако первый этап нагнетания и гидроотжима проводят на удалении, составляющем половину от расстояния между 2 и 3 этапом гидроотжима по первой скважине, то есть середине расстояния между зонами 5-6, 6-8, 8-9 и т.д.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения является не очевидная последовательность операций, реализация которых приурочена к естественной трещиноватости толщи и учитывает геологические и геомеханические факторы.

Положительный эффект обоснован прежде всего тем, что вся толща выбросоопасного пласта по трассе выработки, последовательно от устья скважины разуплотняется, разгружается от горного давления, перемещается, в результате чего при последующей проходке в обработанной зоне создаются безопасные условия, отток газа по образовавшимся фильтрационным каналам, высокую скорость подготовки. Приуроченность зоны нагнетания к трещиноватым зонам, нормально ориентированным к оси выработки, обусловлена тем, чтобы создать условия для образования большей поверхности, на которую действует отжимающее давление воды Р_max, что и обеспечивает отжим максимального объема массива пород или угля. По сути трещины аналогичны полостям в способе [1] Однако в случае предлагаемого решения эти псевдополости могут "работать", если с одной стороны выдвигаемого (отжимаемого) блока уже есть "свободное место", то есть исчез подпор и появилось неравнокомпонентное напряженное состояние. Поэтому операции проводят последовательно, от забоя вглубь массива, последовательно отжимая его поблочно. Параметр ±15^о обоснован тем, что ориентировка сдвигаемых блоков с разворотом более 2 х±15^о в максимуме 30^о от нормали к оси выработки создает большие трудности и энергозатраты при их выдвижении в сторону выработки. Это следует из свойств синусоиды, по которой происходит разложение "выдвигающей силы. До 30^о отклонение от абсолютного значения F происходит медленно (cos 30^o≈0,86). Зато после 30^о функция F уменьшается быстро, то есть вероятность выдвижения блоков, до того как наступит гидроразрыв в соседнюю ближайшую отжатую зону, уменьшается.

Трещины, ориентированные нормально оси выработки, не обязательно должны преобладать. Просто к ним приурочены зоны нагнетания, преобладающие системы трещин могут быть ориентированы как угодно к выработке, однако поскольку на них никак не воздействуют о завершения отжима, оси находятся в "сжатом" состоянии под действием горного давления.

Повышенные выходы штыба характеризуют пригруженные горным давлением зоны. Поскольку они отличаются пониженными способностями пропускать воду и фильтровать, предложено нагнетать жидкость в зоны, где можно это сделать, то есть, трещинные и разгруженные от горного давления. Воздействуя затем, передвигая, отжимая пригруженные выбросоопасные блоки, добиваются и разуплотнения, разгрузки и безопасных условий.

П р и м е р. Штрек площадью в свету 6,0 м² проводят по выбросоопасному пласту мощностью 3 м на глубине 500 м, нарушенному тектоническими нарушениями с азимутом 50^о. Проходку организуют по следующей схеме. По оси штрека, проектируемого к проходке, вначале решили провести передовую скважину и мероприятия по предлагаемому способу на длину месячной проходки 60 м.

Для этого по данным геологической съемки в горных выработках этого района строят розу трещиноватости, выбирают крутопадающие трещины с азимутом простирания, нормальным оси выработки, то есть 140^о±15^о 125^о 155^о. Затем определяют среднее расстояние между системами трещин этой ориентации. По 8 замерам получают (55см+40см+72см+50см+60см+80см+ +50см+20см)/8=52см Отсюда первый этап бурения осуществляют через 0,52 х 10 5,5 м (5,5 инструктивный параметр, упоминаемый выше).

Бурение осуществляют станком СБГ-6 м. Герметизируют скважину на удаление 5,2-0,3 м 4,9 м. Затем начинают нагнетать воду под давлением Р_max 0,75 γН + Р_с 0,75 х 0,1 х 500+5 42,5 кг/см² и наблюдают за движением забоя. После его выдвижения на 4 см прекратили нагнетать воду и продолжили бурение скважины на удалении, кратном 0,52 м частоте трещиноватости 0,52 х 10 5,2 м. Затем загерметизировали 10,1 м скважины глиняной забойкой и пронагнетали воду под давлением Р_max≈45 кг/см² до падения давления до 0,5 P_max 22 кг/см². Затем повторили эти операции 12 раз до достижения проектной длины скважины. Операции заняли 12 дней. Проходка по обработанной угольной толще в безопасных условиях 10 дней, что меньше нормативного срока 30 дней.

На следующем отрезке выработки ожидались тектонические нарушения, поэтому пробурили передовую, разведочную скважину на удаление 30 м от забоя. При этом обнаружили 3 участка с высоким выходом штыба, чередующиеся с участками минимального выхода штыба на удалении 5, 12 и 28 м от устья скважины. Кроме того было вскрыто тектоническое нарушение на удалении 20 м от устья скважины. После бурения скважину заполнили глинистой забойкой. Затем от устья по забойке восстановили скважину на 5 м, загерметизировали на 4,7 м и пронагнетали воду до выдвижения забоя на 4 см, после чего повторили операции нагнетания на 12, 20 и 28 м до падения давления к 22 кг/см². Для обеспечения надежности проведения мероприятий пробурили скважину, параллельную первой в 2,5 м от устья первой, вначале на удаление (5+12)/2 8,5 м. Загерметизировали ее на 8,2 и пронагнетали до падения давления. Повторили операции через (12+20)2 16 м и (20+28)/2 24 м. По завершению и демонтажу насосов продолжили проходку в безопасных условиях.

При реализации способа была достигнута более высокая по сравнению с прототипом эффективность (скорость проходки возросла на 20%) при надежном обеспечении безопасности ведения горных работ и преодоления сложных тектонически нарушенных зон.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ ПРОХОДКЕ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК, включающий определение месторасположения трещин в массиве, поэтапное поинтервальное бурение и герметизацию скважин по оси выработки нормально трещинам с отклонением азимута последних от нормали к оси выработки не более ±15^o и нагнетание через скважины в глубь массива воды до отжима забоя выработки, отличающийся тем, что определяют расположение систем крутопадающих кливажных трещин, бурение скважин на каждом этапе осуществляют на интервале массива горных пород, кратном расстоянию между соседними системами кливажных трещин, отмеряемому от ближайшей к забою трещины, при этом нагнетание воды до отжима забоя производят на первом этапе, а на последующих этапах воду нагнетают до падения давления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при бурении устанавливают трещиноватые и разгруженные от горного давления зоны и осуществляют в них нагнетание.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что параллельно первой скважине бурят вторую и операции гидроотжима повторяют из второй скважины, при этом интервалы нагнетания располагают в трещиноватых зонах, приуроченных к середине соседних интервалов нагнетания первой скважины.

РИСУНКИ

Рисунок 1