Способ борьбы с внезапными выбросами угля и газа и горными ударами

 

Изобретение может быть использовано при разработке месторождений угля с пластами, опасными по внезапным выбросам и горным ударам. Повышение эффективности предоствращения указанных явлений достигается путем нагнетания электропроводящей жидкости в скважины, пробуренные в грудь забоя, до возникновения устойчивого электрического контакта между соседними скважинами. Контроль за достаточной редаксацией пласта ведут методом измерения сопротивления электрической цепи между электродами-релаксаторами, установленными в этих скважинах на всю их глубину. 1 з.п.ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при ведении горных работ на угольных пластах, опасных по внезапным выбросам и горным ударам.

Для предотвращения газодинамических явлений (ГДЯ) при разработке угольных пластов в шахтах применяется комплекс различных мероприятий.

Известны способы предотвращения внезапных выбросов угля и газа, основанные на бурении дегазационных скважин; скважин для закачки воды в угольный пласт в режиме гидрорыхления; скважин для закачки воды в угольный пласт с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ) [1, 2].

Известен также способ борьбы с горными ударами, когда в пробуренные скважины подают синтетические смолы с пластификаторами [3].

Все эти способы нагнетания воды в ударо- и выбросоопасные пласты преследуют единую цель и отличаются лишь методикой выполнения и параметрами нагнетания. Причем как показывает практический опыт, указанные способы малоэффективны, трудоемки и требуют значительного времени на их выполнение.

Известно, что при нагнетании воды в угольный пласт происходят процессы, которые приводят к изменению свойств угля и состояния угольного пласта: раскрываются трещины и увеличивается объем угля, активизируется обмен ионов, находящихся в воде и на поверхности трещин. Эти явления усиливаются при использовании специальных добавок.

Теоретические исследования и анализ практических данных показывают, что вероятность проявления и интенсивность ГДЯ тем меньше, чем ниже удельное электрическое сопротивление угольно-породного массива. Так, например, внезапные выбросы угля и газа не происходят на угольных пластах марки "А" при условии lgρ < 3,3, где ρ - удельное электрическое сопротивление, Ом/м (Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапному выбросу угля, породы и газа. - М., 1989, с.19-20).

Цель изобретения - повышение эффективности предотвращения ГДЯ в шахтах путем релаксации электрических процессов, которые возникают в горных породах при резких изменениях механических напряжений, сопровождающих процессы трещинообразования и разрушения массива.

Эта цель достигается тем, что согласно существующим способам, включающим бурение скважин и нагнетание в них воды в такие же пробуренные скважины для увлажнения угольного пласта нагнетают электропроводящую жидкость.

Наилучшие результаты - увеличение скорости фильтрации, равномерность насыщения пласта, увеличение удельного водопоглощения, увеличение деформации, уменьшение прочности угля и т.п. - были получены при использовании в качестве электропроводящей жидкости водного раствора поваренной соли.

Это объясняется следующим.

Вода сама по себе является электропроводящей жидкостью, но ее электросопротивление, равное 10⁷ Ом/см (lgρ = 7), сопоставимо с электросопротивлением ископаемых углей.

Поэтому для снижения электросопротивления угольных пластов необходимо применять жидкости или водные растворы веществ, обладающие повышенной электропроводностью (низким электросопротивлением).

Этому условию наиболее соответствуют водные растворы поваренной соли соответствующей концентрации С, %.

В таблице приведены данные справочника по электрохимии под ред. А.М. Сухотина. - Л.: Химия, 1981, при 20^oС.

На фиг.1 приведена графическая зависимость lgρ от массовой концентрации NaCl в водном растворе. На графике видно, что с увеличением С электросопротивление раствора заметно снижается до достижения С ≈ 10%. При данной концентрации раствора значение lgρ составляет 0,846, т.е. на порядок величины меньше, чем lgρ углей.

Поэтому данное значение (С = 10 мас.%) можно рассматривать как оптимальное при использовании водного раствора поваренной соли для снижения электросопротивления угольного пласта.

Низкими значениями электросопротивления отличаются также водные растворы других веществ, например, растворы щелочей NaOH, КОН или кислот типа НСl. Однако их использование нерационально по техническим, экологическим и экономическим причинам.

На фиг. 2 изображена схема расположения нагнетательных скважин с электродами; на фиг. 3 - разрез угольного пласта с эпюрой действующих нагрузок.

Схема содержит угольный пласт 1, скважины 2 для нагнетания жидкости, зону 3 герметизации, электроды 4, зону 5 увлажнения, эпюру 6 действующих нагрузок 6.

Способ осуществляется следующим образом.

В призабойной зоне угольного пласта 1 бурится диаметром 43-46 мм серия нагнетательных скважин 2 с расстоянием между ними не более 2 l_в, где l_в - длина водопринимающей части скважины. Длина скважин устанавливается в соответствии с протяженностью зоны предельно напряженного состояния и не должна превышать крайней границы зоны повышенных напряжений, оцениваемых по выходу штыба или сейсмоакустической активности угольного пласта.

Общая длина скважины l_с определяется по сумме l_с = lг + l_в, м где l_г - длина загерметизированной части скважины.

Расположение скважин по мощности пласта выбирается в зависимости от структуры пласта, и они должны буриться по одной пачке угля. В пробуренные скважины вводятся электроды-релоксаторы 4, например в виде металлических трубок, состоящих из отдельных легко разъединяемых секций, находящихся в плотном контакте со стенками скважины.

Скважины герметизируют 3 на участке l до зоны максимальной концентрации напряжений 6.

Для герметизации скважин могут применяться гидрозатворы как в металлическом, так и в шланговом (гибком) исполнении. Такие гидрозатворы применяются на угольных шахтах для нагнетания воды в угольные пласты в режиме гидрорыхления.

Перед началом нагнетания необходимо ориентировочно определить количество Q жидкости, требуемой для закачки в одну скважину.

Q = m·l_с·b·k_в·k_у, л, где m - мощность пласта, м; l_с - глубина скважины, м; b - расстояние между скважинами, м; k_в - удельный расход воды определяется для конкретных угольных пластов, л/м³ k_у - коэффициент, учитывающий утечку воды, принимается равным 1,10-1,15.

Нагнетание активной электропроводящей жидкости, например 10%-ного раствора поваренной соли, осуществляют в несколько скважин одновременно гидронасосом УН-35 в режиме увлажнения, что контролируется манометрами ОБМГ-400 и расходомерами. Производительность насоса УН-35 35 л/мин, максимальное рабочее давление 30 МПа. Зная необходимое количество закачиваемой жидкости (л) и тем закачки (л/мин), можно предварительно оценить время, которое будет затрачено на выполнение способа.

Эффективность и достаточность нагнетания жидкости контролируется измерением электрического сопротивления угольного пласта, расположенного между соседними скважинами.

Контроль осуществляется путем измерения электрического сопротивления цепи между электродами-релаксаторами в этих скважинах омметрами Ц 432 и сравнением этих значений с начальными (до закачки).

При возникновении гидравлического контакта между скважинами электрическое сопротивление цепи начинает сначала интенсивно, а затем все медленнее снижаться и становится постоянным, что говорит о том, что достигнут уровень насыщения. При этом необходимый уровень снижения электрического сопротивления, обеспечивающий безопасность ведения горных работ, устанавливается, в силу большого разнообразия горно-геологических условий разработки угольных пластов, эмпирическим путем для каждого конкретного случая.

На этой стадии закачка жидкости прекращается.

Оценка эффективности выполненного мероприятия осуществляется нормативными методами: для удароопасных пластов - методом ВНИМИ, для выбросоопасных - методом ВостНИИ.

При этом если данные методы показывают, что мероприятие выполнено не эффективно, то цикл закачки повторяется. Если нормативными методами установлено, что обработанная зона приведена в неопасное состояние, то герметизаторы и электроды-релаксаторы извлекаются из скважин, и производится выемка угольного пласта до величины неснижаемого опережения скважин. Затем скважины углубляются, и весь цикл повторяется.

Преимущество предлагаемого способа заключается в том, что он может использоваться для борьбы как с внезапными выбросами угля и газа, так и с горными ударами на угольных пластах с различными марками угла. При этом приведение угольного пласта в неопасное состояние происходит до перехода краевой части пласта в предельно напряженное состояние и в любых горно-геологических условиях. Это обеспечивает и безопасность ведения горных работ.

В быстро подвигающихся забоях, например в забоях подготовительных выработок, для уменьшения времени обработки призабойной зоны и повышения эффективности способа в скважины вместе с электропроводящей жидкостью можно закачивать измельченный электропроводящий материал, например графит или антрацит.

Формула изобретения

1. Способ борьбы с внезапными выбросами угля и газа и горными ударами, включающий бурение скважин и нагнетание в них жидкости, отличающийся тем, что в скважины нагнетают электропроводящую жидкость, а на всю глубину скважин устанавливают электроды-релаксаторы, при этом электропроводящую жидкость нагнетают до возникновения между соседними скважинами устойчивой электрической цепи, проводимость которой прекращает расти при дальнейшей подаче жидкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в скважины совместно с электропроводящей жидкостью нагнетают измельченный электропроводящий материал.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4