Способ дегазации и разупрочнения горных пород

Изобретение относится к области горной промышленности, в частности к угольной, и может быть использовано для воздействия на горные породы. Способ включает бурение пластовых скважин и скважин в породы кровли и их гидрообработку жидкостью в статическом и гидроимпульсном режимах. Новизна изобретения состоит в том, что пластовые и породные скважины располагают попарно с размещением их в одной вертикальной плоскости, жидкость нагнетают в статическом режиме одновременно в попарно расположенные пластовую скважину и скважину, пробуренную в кровлю, под давлением, не превышающим предел прочности на растяжение горных пород, до полного их насыщения жидкостью, затем в гидроимпульсном режиме нагнетают поочередно в угольный пласт и в породы кровли до их гидроразрыва, а оставшуюся жидкость в скважине, пробуренной в кровлю, направляют в пластовую скважину и выдерживают ее до установления постоянного давления на устьях попарно расположенных скважин, далее производят отсос газа. Предел прочности на растяжение горных пород в соответствии с их типом определяют по зависимостям, представленным на графиках. Изобретение обеспечивает безопасные условия труда шахтеров, снижение газообильности горных выработок, уменьшение вероятности возникновения взрывов газа и угольной пыли, улучшение экономических показателей. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для подготовки угольных пластов к отработке в условиях высокой их газоносности с целью интенсификации процесса дегазации и снижения газообильности горных выработок, борьбы с внезапными выбросами газа и угля, обеспечения безопасных условий труда шахтеров, в том числе в условиях отработки мощных пологих пластов с выпуском подкровельной толщи, уменьшения вероятности возникновения взрывов газа и угольной пыли.

Известен способ дегазации шахтных полей, который может быть использован для повышения эффективности дегазации и концентрации каптируемого газа.

По этому способу в плоскости разрабатываемого пласта смежного выемочного поля проводят сбоечные дренажно-транспортные скважины, которые подсоединяют с одной стороны к магистральному газопроводу, а с другой - к устьям газоотсасывающих скважин, и с одной системой скважин ведут отсос газа на двух последовательно отрабатываемых полях. На пластах с высокой газоносностью сбоечные дренажно-транспортные скважины сначала используют для предварительного отсоса газа из разрабатываемого пласта [1].

Недостатком этого способа является отсутствие ослабления труднообрушаемой кровли и невозможность сохранения высокой безопасности ведения горных работ, так как при большом зависании труднообрушаемой кровли, то есть при отставании от очистной выработки, в процессе ее обрушения газ, находящийся в выработанном пространстве, выдавливается в лаву, создавая взрывоопасную ситуацию.

Известен другой способ дегазации горного массива, включающий бурение скважин гидроразрыва, обсадку их трубами, проведение гидрообработки массива через скважины путем нагнетания жидкости в статическом режиме, гидроимпульсное воздействие на пласт, предварительно определяют скорость распространения звука в дегазируемом массиве и прочность пород массива на разрыв. Нагнетание жидкости в импульсном режиме осуществляют при скорости нарастания давления в жидкости, пропорционально квадрату скорости распространения звука в массиве, при этом нижний предел нарастания давления в импульсе устанавливают по суммарной величине предела прочности пород дегазируемого массива на разрыв и геостатического давления пород, а горные породы, пересекаемые скважиной гидроразрыва и уступающие по прочности дегазируемым, изолируют от жидкости [2].

Недостатком этого способа является ослабление труднообрушаемых горных пород кровли и их дегазация, а не их разупрочнение. Более того, пересекаемые скважиной гидроразрыва породы и уступающие по прочности дегазируемым изолируют от жидкости путем цементации затрубного пространства или упрочнения их твердеющими растворами, при этом скважины обсаживают до почвы обрабатываемого слоя, то есть труднообрушаемого слоя. Все это требует материальных и временных затрат.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату для целей интенсификации процесса дегазации, извлечения больших объемов метана и снижения газообильности горных выработок, обеспечения безопасных условий труда шахтеров по газовому фактору в процессе ведения горных работ, в том числе и в условиях отработки мощных пологих пластов с выпуском подкровельной толщи, уменьшения вероятности возникновения взрывов газа и угольной пыли является способ дегазации и разупрочнения горных пород, включающий бурение пластовых скважин и скважин в породу кровли и их гидрообработку жидкостью в статическом и гидроимпульсном режимах [3].

Этому способу присущи следующие недостатки. Использование взрывчатых веществ (так называемого передового торпедирования) для разупрочнения труднообрушаемых пород кровли приводит к негативным результатам, поскольку в случаях «отказов» ВВ создаются нештатные ситуации, требующие бурения новой, рядом расположенной скважины и размещения зарядов ВВ. Досылка их в скважину, как и прежде, производится с помощью забойника и составных штанг лебедкой с помощью специальных станков для заряжения скважины буровыми штангами. Перед взрыванием заряда ВВ в скважину нагнетают жидкость в режиме гидрообработки. Производится повторное взрывание. Это приводит к затратам времени и материальному ущербу. Кроме того, при использовании зарядов ВВ импульс ударной волны высокий, а длительность воздействия составляет 0,01 с. Массив, подвергнутый такому воздействию, переизмельчается вокруг скважины. При этом формирование разветвленной сети искусственных трещин в массиве невелико. (Гидроимпульсное воздействие специально разработанной установкой позволяет увеличить длительность ударной волны до 0,2-0,3 с и увеличить сеть искусственных трещин.)

Целью изобретения является повышение эффективности дегазации и разупрочнения горных пород кровли за счет динамического воздействия жидкостью на пласт угля и породы кровли, снижения газообильности горных выработок, обеспечения безопасных условий труда шахтеров по газовому фактору в процессе ведения горных работ, уменьшения вероятности возникновения взрывов газа и угольной пыли.

Согласно изобретению эта задача решается тем, что в способе дегазации и разупрочнения горных пород, включающем бурение пластовых скважин и скважин в породу кровли и их гидрообработку жидкостью в статическом и гидроимпульсном режимах, пластовые и породные скважины располагают попарно с размещением их в одной вертикальной плоскости, жидкость нагнетают в статическом режиме одновременно в попарно расположенные пластовую скважину и скважину, пробуренную в кровлю, под давлением, не превышающем предел прочности на растяжение горных пород, до полного их насыщения жидкостью, затем в гидроимпульсном режиме нагнетают ее поочередно в угольный пласт и в породы кровли до их гидроразрыва, а оставшуюся жидкость в скважине, пробуренной в кровле, направляют в пластовую скважину и выдерживают ее до установления постоянного давления на устьях попарно расположенных скважин, далее производят отсос газа. Предел прочности на растяжение горных пород в соответствии с их типом определяют по зависимостям, представленным на графиках.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема дегазации и разупрочнения горных пород; на фиг.2-5 - определение предела прочности на растяжение горных пород в соответствии с их типом.

Способ осуществляется следующим образом.

Проводят пластовые скважины 1 и скважины 2 в породы кровли. Пластовые и породные скважины располагают попарно с размещением их устьев в одной вертикальной плоскости. Расстояние между скважинами, пробуренными в породы кровли, принимается равным безопасному шагу посадки основной кровли (20-25 м).

Жидкость нагнетают сначала в статическом режиме одновременно в попарно расположенные пластовую скважину 1 и скважину 2, пробуренную в кровлю, под давлением, не превышающим предел прочности на растяжение горных пород, до полного их насыщения жидкостью.

Давление нагнетания жидкости в статическом режиме и ее расход зависят от физико-механических свойств горных пород и типа применяемой насосной установки, в числе которых могут быть установки типа УНВ; УН-85, УНТ и др. (не показаны). Это давление пропорционально геостатическому давлению, умноженному на коэффициент бокового распора пород.

Затем в гидроимпульсном режиме с помощью установки 3 нагнетают жидкость поочередно в угольный пласт 4 и в породы кровли 5 до их гидроразрыва. В гидроимпульсной установке предусмотрен автоматический клапан для разделения потоков жидкости в угольный пласт и в породы кровли. Оставшуюся жидкость в скважине 2, пробуренной в кровлю 5, направляют в пластовую скважину 1 и выдерживают ее до установления постоянного давления на устьях попарно расположенных скважин.

Нагнетание жидкости в импульсном режиме ведут при скорости нарастания давления, пропорциональной квадрату скорости звука. Нижний предел нарастания давления в импульсе устанавливают по суммарной величине предела прочности пород массива на разрыв и геостатического давления.

Далее производится отсос газа с помощью вакуумных насосных установок, сообщенных дегазационным трубопроводом со скважинами.

Предел прочности на растяжение горных пород в соответствии с их типом определяют по зависимостям, приведенным на фиг.2-5. В качестве угольных бассейнов взяты Кузнецкий (1) и Печорский (2, Воркутское месторождение). На фиг.2 приведена зависимость предела прочности на растяжение σ_р от показателя сопротивления горных пород на сжатие σ_сж для песчаников, на фиг.3 - для алевролитов, на фиг.4 - для аргиллитов, на фиг.5 - для углей.

Внедрение изобретения обеспечит безопасные условия труда шахтеров по газовому фактору в процессе ведения горных работ, снизит давление горных пород на целик угля и на крепь выработок, уменьшит газообильность и вероятность возникновения формирования предпосылок к взрывам газа и угольной пыли, улучшит экономические показатели.

Источники информации

1) Авторское свидетельство СССР №608961, М., Кл.² Е21F 7/00, «Способ дегазации шахтных полей». 1978 г. Бюл. №20.

2) Авторское свидетельство СССР №1550174 А1, 5 Е21F 7/00, «Способ дегазации горного массива». 1990 г. Бюл. №10.

3) Саламатин А.Г. Подземная разработка мощных пологих угольных пластов. - М.: Недра, 1997. - 407 с. (прототип).

1. Способ дегазации и разупрочнения горных пород, включающий бурение пластовых скважин и скважин в породу кровли и их гидрообработку жидкостью в статическом и гидроимпульсном режимах, отличающийся тем, что пластовые и породные скважины располагают попарно с размещением их в одной вертикальной плоскости, жидкость нагнетают в статическом режиме одновременно в попарно расположенные пластовую скважину и скважину, пробуренную в кровлю, под давлением, не превышающим предел прочности на растяжение горных пород, до полного их насыщения жидкостью, затем в гидроимпульсном режиме нагнетают поочередно в угольный пласт и в породы кровли до их гидроразрыва, а оставшуюся жидкость в скважине, пробуренной в кровлю, направляют в пластовую скважину и выдерживают ее до установления постоянного давления на устьях попарно расположенных скважин, далее производят отсос газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предел прочности на растяжение горных пород в соответствии с их типом определяют по зависимостям, представленным на графиках.