Способ разработки выбросоопасных пластовых месторождений полезных ископаемых

 

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано при подземной разработке выбросоопасных пластовых месторождений. Способ включает определение потенциальной выбросоопасности пластов разрабатываемого месторождения и отработку пластов. При этом предварительно подрабатывают и надрабатывают выбросоопасные пласты. Определение потенциальной выбросоопасности осуществляют по глубине горного массива и устанавливают осредненную зависимость изменения выбросоопасности с глубиной. По зависимости определяют диапазон глубин наименьшей и наибольшей потенциальной выбросоопасности месторождения. Подработку, надработку и отработку пластов начинают с диапазона глубин наименьшей выбросоопасности в направлении диапазона глубин наибольшей выбросоопасности. При этом отработку пластов, находящихся в диапазоне глубин наибольшей выбросоопасности, осуществляют после отработки пластов в диапазоне глубин меньшей выбросоопасности, находящихся снизу и сверху от диапазона глубин наибольшей выбросоопасности. Диапазоны глубин наибольшей и наименьшей потенциальной выбросоопасности определяют по приведенным формулам. 1 ил.

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано при подземной разработке выбросоопасных пластовых месторождений.

Известен способ разработки мощных пластов угля, склонных газодинамическим явлениям, включающий подготовку выемочных полей по столбовой системе разработки, бурение в угольном пласте вдоль горизонтальной оси выработки разгружающих полостей, выемку угля, в котором при подготовке выемочных полей подготовительные выработки проходят с увеличением их высоты, равным усадке кровли, образующейся в период бурения разгрузочных полостей, разгружающие полости бурят по наиболее слабой пачке пласта до подхода горных работ в зоне опорного давления с расстоянием от первой разгружающей полости до линии очистного забоя не менее удвоенной ширины зоны опорного давления, а расстояние между полостями определяют по формуле B ≅ a где γ- объемная плотность пород, МПа; Н глубина ведения горных работ, м; а ширина разгрузочной полости, м; σ- кубиковая прочность угля на сжатие, МПа. При этом выемку угля производят послойно, начиная с наиболее слабой пачки пласта, а обработку слабой пачки и основного слоя ведут на одни и те же выработки [1] Данный способ разработки выбросоопасного пластового месторождения нацелен на обеспечение безопасности отработки конкретного разрабатываемого пласта в пределах выемочного поля и поэтому не обеспечивает рациональной системной разработки всего выбросоопасного пластового месторождения, в том числе содержащего несколько пластов на всю глубину горного массива. Системная разработка всего выбросоопасного пластового месторождения с необходимостью должна реализовать рациональный порядок освоения земных недр, а это можно осуществить лишь на основе знания закономерностей изменения выбросоопасности пластов с возрастанием глубины освоения горного массива, что в данном способе не учтено.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ разработки выбросоопасных пластовых месторождений угля, в котором предварительно идентифицируют степень выбросоопасности угольных пластов месторождения, надрабатывают и подрабатывают наиболее выбросоопасные пласты, а затем осуществляют их отработку [2] Данный способ разработки выбросоопасных пластовых месторождений обеспечивает безопасность и низкую трудоемкость системной разработки только свиты сближенных угольных пластов. Однако безопасной и наименее трудоемкой рациональной системной разработки всего выбросоопасного пластового месторождения на всю глубину горного массива, т.е. рационального освоения земных недр, данный способ не гарантирует, поскольку закономерностей изменения выбросоопасности на глубине горного массива он не учитывает и в технологических приемах не использует.

Цель изобретения повышение безопасности и снижение трудоемкости освоения земных недр при разработке выбросоопасных пластовых месторождений полезных ископаемых за счет учета закономерностей волнообразного формирования на глубине горного массива потенциальной его выбросоопасности.

Цель достигается тем, что до подработки и надработки пластов по показателю потенциальной выбросоопасности по глубине месторождения определяют осредненную зависимость изменения потенциальной выбросоопасности пластов с глубиной месторождения, по ней устанавливают диапазоны глубин наименьшей и наибольшей потенциальной выбросоопасности месторождения, при этом разработку, а также подработку и надработку пластов наиболее выбросоопасной части разрабатываемого месторождения, находящейся в диапазоне глубин наибольшей выбросоопасности, осуществляют после отработки пластов месторождения, находящихся снизу и сверху от диапазона глубин наибольшей выбросоопасности разрабатываемого месторождения в диапазоне глубин его наименьшей выбросоопасности, а идентификацию диапазонов глубин наибольшей и наименьшей потенциальной выбросоопасности осуществляют с применением формулы H^Σ_max=H_max± H_min= H_min± где H_maxΣ,H_minΣ- верхняя и нижняя координата диапазона глубин наибольшей и наименьшей выбросоопасности; ΔH_max, ΔH_min величина диапазона глубин наибольшей и наименьшей потенциальной выбросоопасности, определяемая по таким координатам глубин залегания разрабатываемого месторождения, в которых величина отклонения показателя потенциальной выбросоопасности разрабатываемого месторождения отличается от своего среднего значения не более, чем в 2 раза от максимального или минимального уровня соответственно; H_max, H_min координата максимальной и минимальной потенциальной выбросоопасности.

На чертеже приведена зависимость изменения показателя потенциальной выбросоопасности (В, усл. ед. ) пластов разрабатываемого месторождения по его глубине (H, м), где ΔH_max и ΔH_min диапазоны глубин наибольшей и наименьшей потенциальной выбросоопасности; I, II, III угольные пласты; B_max и B_min наибольшие и наименьшие значения показателя потенциальной выбросоопасности; среднее значение показателя потенциальной выбросоопасности.

Способ осуществляют следующим образом. По глубине разрабатываемого горного массива определяют значения показателя потенциальной выбросоопасности пластов месторождения. Для этого используют геологоразведочные данные. Расчет показателя потенциальной выбросоопасности ведут по формуле B W_г + 0,15 W_σ- 0,35, где W_г эффективная энергия газа, заключенного в пласте, Дж/м³; W_σ- упругая энергия пласта, Дж/м³.

При этом эффективную энергию газа и упругую энергию пласта определяют следующим образом:
W_г Х˙b₃₀˙Δh˙d˙η
W_σ где Х газоносность пласта, м³/кг;
b₃₀ коэффициент, определяющий, какая часть содержащегося в угле газа способна выделяться из него за 30 с;
Δh удельное изменение энтальпии реального газа при его расширении, Дж/м³;
η- плотность метана в газовой фазе, кг/м³;
d истинная плотность угля, кг/м³;
σ_γn среднее напряжение в пласте, кг/см²;
К коэффициент концентрации напряжений;
Е модуль упругости пласта, кг/см².

По значениям показателей потенциальной выбросоопасности устанавливают зависимость изменения выбросоопасности пластов месторождения по глубине горного массива. Вид данной зависимости приведен на чертеже. По указанной зависимости определяют среднее значение показателя потенциальной выбросоопасности и наибольшее В_maxи наименьшее В_min его значения. С помощью указанных значений показателя потенциальной выбросоопасности по глубине горного массива определяют зоны глубин наименьшей ΔН_min и наибольшей ΔH_max потенциальной выбросоопасности. За диапазоны глубин наибольшей выбросоопасности принимают такой интервал глубин месторождения, в рамках которого уменьшение величины показателя потенциальной выбросоопасности от максимального уровня В_max до среднего значения составляет не более чем в раз. Зоны глубин наименьшей выбросоопасности месторождения определяют аналогичным образом, то есть за зоны глубин наименьшей выбросоопасности принимают интервал глубин месторождения, в рамках которого разность показателей выбросоопасности B_max- уменьшается от своего минимального значения не более, чем в раз.

После выявления в разрабатываемом пластовом выбросоопасном месторождении диапазонов глубин наибольшей и наименьшей потенциальной выбросоопасности определяют порядок отработки пластов в месторождении В первую очередь отрабатывают пласты в диапазонах глубин наименьшей выбросоопасности. На приведенном чертеже это зона 4. Затем в разрабатываемом месторождении отрабатывают зоны 1, 3, 5 и 7,то есть в направлении от выделенных диапазонов глубин наименьшей выбросоопасности к диапазону глубин наибольшей выбросоопасности. На заключительной стадии разработки месторождения отрабатывают зоны 2 и 6, находящиеся в диапазоне глубин наибольшей выбросоопасности. Отработку пластов в тих зонах осуществляют после отработки всех зон, находящихся сверху и снизу от диапазона глубин наибольшей выбросоопасности месторождения. При этом порядок отработки пластов в зонах при наличии свиты пластов 1,2,3. определяется степенью их выбросоопасности и производится также в последовательности от меньшей выбросоопасности пластов к большей.

Предлагаемый порядок разработки выбросоопасного пластового месторождения учитывает в отличие от способа прототипа наличие в горном массиве зон наименьшей и наибольшей выбросоопасности, то есть стратифицированный характер формирования напряжений в недрах Земли, волнообразную реализацию заложенных в них запасов энергии, которая проявляется в зональном чередовании по глубине горного массива зон разной потенциальной выбросоопасности.

Предлагаемые технологические приемы предполагают сначала отработку пластов в зонах наименьшей потенциальной выбросоопасности. Эта отработка разгружает от напряжений пласты, находящиеся в диапазоне глубин наибольшей потенциальной выбросоопасности. Наибольший эффект разгрузки достигается при отработке всех пластов, находящихся в зонах снизу и сверху от диапазона глубин наибольшей потенциальной выбросоопасности, поэтому предлагаемый способ содержит указанный отличительный признак. Кроме того, предлагаемый порядок отработки месторождения позволяет также при высокой степени потенциальной выбросоопасности пластов применять заблаговременную обработку пластов в зонах повышенной выбросоопасности региональными противовыбросными мероприятиями, осуществляемыми из зон пониженной выбросоопасности, например бурением серии разгрузочных и дегазационных скважин или воздействием.

Направление порядка отработки пластов от диапазонов глубин наименьшей потенциальной выбросоопасности к диапазону глубин наибольшей потенциальной выбросоопасности оправдано тем, что каждая отработка пласта связана с формированием зон разгружения от горного давления сверху и снизу от него. Это разгружение лучше осуществлять, начиная с отработки пластов, находящихся в условиях меньшей потенциальной выбросоопасности.

Возникновение явления стратификации, выражающееся в волнообразной зональности изменения энергии и выбросоопасности горного массива, обусловлено самоорганизацией материи и происходит вследствие реализации принципа минимума диссипации: пpирода повсеместно стремится реализовать наименьшее рассеивание энергии. Меру рассеивания энергии принято оценивать или показателем добротности объекта, как системы процессов, или величиной эффективного, то есть теплового значения контролируемого параметра объекта. В том и другом случае экстремальные значения параметров и их эффективные значения связаны между собой числовым коэффициентом (например, максимальное значение синусоидального тока и его эффективное значение). Поэтому в предлагаемом способе для выделения диапазонов глубин наибольшей и наименьшей потенциальной выбросоопасности (с учетом реализации принципа минимума диссипации как причины возникновения зональной реализации потенциальной выбросоопасности) используется данный числовой коэффициент.

Пример реализации способа дан на примере формирования потенциальной выбросоопасности угольных пластов месторождения, отрабатываемого в условиях, аналогичных условиям ш.у. им.газеты "Социалистический Донбасс". По геологоразведочным данным указанного месторождения определили значения показателя потенциальной выбросоопасности. Так на глубине Н 629 м получены следующие величины параметров, входящих в расчет параметров выбросоопасности W_г 0,230 МДж/м³; W_σ= 0,486 МДж/м³; В 0,047; на глубине Н 785 м соответственно W_г 0,936 МДж/м³, W_σ= 1,244 МДж/м³. В 0,773, Н 796 м, W_г 0,509 МДж/м³, W_σ= 1,374 МДж/м³, В 0,365; H 813 м, W_г 0,397 МДж/м³, W_σ= 1,564 МДж/м³, В 0,283; Н 832 м, W_г 0,789 МДж/м³, W_σ= 1,200 МДж/м³, В 0,619 и т.д.

Аналогичным образом определялись значения показателя потенциальной выбросоопасности на других глубинах. По полученным значениям показателя В установили усредненное волнообразное изменение показателя потенциальной выбросоопасности по глубине месторождения, показанное на чертеже. По полученному графику изменения выбросоопасности с глубиной определены В_max(1) 0,60 на глубине Н_max(1) 820; B_min -0,10 на глубине Н _min 1060 м и В_max(2) 0,75 на глубине Н_max(2) 1320 м. Затем проводится линия среднего показателя выбросоопасности , отстоящая на равном расстоянии от точек В_max(1), В_min и B_max(2).

Далее определили величины нормируемых отклонений В_max и B_min от по формулам:
ΔB_max ΔB_min
Их численные значения в рассматриваемом примере составили:

Затем провели прямые линии, параллельные оси Н, проходящие через координаты ΔВ_max(1), ΔB_min и ΔB_max(2) и отсекающие на графике изменения выбросоопасности с глубиной координаты диапазонов глубин наибольшей и наименьшей выбросоопасности, которые составили

Таким образом, диапазон глубин наибольшей потенциальной выбросоопасности HΣ_max(1) располагается с глубины Н 770 м до Н 870 м и HΣ_max(2) c Н 1270 м до Н 1380 м, а диапазон глубин наименьшей потенциальной выбросоопасности Hε_min располагается с глубин Н 990 м до Н 1130 м.

Формула изобретения

СПОСОБ РАЗРАБОТКИ ВЫБРОСООПАСНЫХ ПЛАСТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, включающий определение потенциальной выброопасности пластов разрабатываемого месторождения и отработку пластов месторождения с предварительной подработкой и надработкой выбросоопасных пластов, отличающийся тем, что определение потенциальной выбросоопасности осуществляют по глубине горного массива и устанавливают осредненную зависимость изменения выбросоопасности с глубиной, по которой определяют диапазон глубин наименьшей и наибольшей потенциальной выбросоопасности месторождения, а подработку, надработку и отработку пластов начинают с диапазона глубин наименьшей выбросоопасности в направлении диапазона глубин наибольшей выбросоопасности, при этом отработку пластов, находящихся в диапазоне глубин наибольшей выбросоопасности, осуществляют после отработки пластов в диапазоне глубин меньшей выбросоопасности, находящихся снизу и сверху от диапазона глубин наибольшей выбросоопасности, при этом диапазоны глубин наибольшей и наименьшей потенциальной выбросоопасности определяют по формулам


где H^Σ_max и H^Σ_min - верхние и нижние координаты диапазона глубин наибольшей и наименьшей выбросоопасности:
ΔH_max и H_min - величина диапазона глубин наибольшей и наименьшей потенциальной выбросоопасности, определяемая по таким координатам глубин залегания разрабатываемого месторождения, в которых величина отклонения показателя выбросоопасности разрабатываемого месторождения отличается от своего среднего значения не более чем в от максимального B_max или минимального B_min уровня соответственно;
H_max и H_min - координаты максимальной и минимальной потенциальной выбросоопасности.

РИСУНКИ

Рисунок 1