Способ предотвращения динамических и газодинамическх явлений в массиве горных пород

 

О П И С А Н И Е 883504

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социал ис тически к республик (6! ) Дополнительное к авт. свид-ву(53)М. Кл.

Е 21 F 5/00 (22) Заявлено06.12.78 (2l) 2694019!22-03 с присоединением заявки J%

3Ъаударатвенный комитет

СССР (23) Приоритет

Опубликовано 23.11.81. Бюллетень № 4З (53) УДК 622.817 (088.8) ав демам иэоеретеннй и открытий

Дата. опубликования описания 26.11.81

И. М. Петухов, Л. М. Марморщтейн, В. П

В. С. Сидоров и В. А. Юрген (72) Авторы изобретения

Всесоюзный ордена Трудового Красного Зн исследовательский институт горной геомех и маркшейдерского дела (7l ) Заявитель (54) СПОСОБ ПРЕДОТВРАШЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ

И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В МАССИВЕ

ГОРНЫХ ПОРОД

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для предотвращения динамических и газодинамических явлений в массиве горных пород.

Известен способ создания зоны разгрузки в массиве горных пород путем бурения скважины и последующего гидроразрыва пласта (1) .

Недостатком данного способа является небольшая зона разгрузки.

Известен также способ предотвращения динамических и газодинамических явле ний в массиве горных пород, включающий бурение скважины в массив горных пород, создание из скважины в массиве горных пород ориентированной разгрузочной полости для образования зоны разгрузки, герметизацию скважины и воздействие на физико -механические свойства массива горных пород 12) .

Недостатком известного способа является относительно невысокая степень разгрузки массива горных пород от действующих в нем напряжений.

Бель изобретения — повышение эффективности мероприятий по предотвращению динамических и газодинамических

S явлений за счет рационального перераспределения напряженчй в массиве горных пород.

Поставленная цель достигается тем, что в массиве горных пород определяют направление вектора действующего максимального главного напряжения и направление выраженной слоистости горных пород, разгрузочную полость в массиве горных пород располагают относительно направления вектора действующего максимального главного напряжения и направление выраженной слоистости горных пород, а угол наклона продольной оси разгрузочной полости определяют по

26 формуле . с

2 где. - угол наклона длинной оси поперечного сечения полости;

883504

10

15 - - угол наклона вектора максимального главного напряжения;

pL — - угол наклона выраженной слоистости горных пород.

При этом направление вектора действующего максимального главного напряжения определяют методом разгрузки или методом глубинных реперов.

Кроме того, разгрузочную полость в массиве горных пород выполняют в виде щели или в виде сближенных скважин, расположенных в одной плоскости, при этом расстояние между скважинами принимают минимально возможным и не более трех диаметров скважины.

На фиг. 1 приведена схема формирования и герметизации разгрузочной полости в массиве горных пород, на фиг. 2— схемы ориентирования разгрузочных полостей в пластах гDpHbIx пород, на фиг. 3— графики, характеризующие разгрузку горных пород при различном ориентировании щели относительно вектора максимального главного напряжения; на фиг. 4— зоны разгрузки около разгрузочных полостей при различном их ориентировании; на фиг. 5 — одна из технологических схем применения способа.

B массиве горных пород, например в угольном пласте 1, пробуривают скважину 2 круглого сечения. B стенках ее на определенной длине, называемой рабочей частью полости, разделывают разгрузочную полость, например в виде щели

3. Устье скважины оставляют круглого сечения и герметизируют его с помощью герметизатора 4. Рабочую часть полости через трубопровод 5 подключают к дегазационному ставу (дегазация пласта) или насосу (нагнетание воды в пласт), () - (р4, где Q — действующие в массиФ01Х ве напряжения.

Разделку щели осуществляют, например, с применением гидравлической от бойки, Форму щели задают вытянутой, но не обязательно плоской. Могут испольэовать эллипсообразные щели. Соотношение длинной и короткой осей в сечении полости принимают два и более.

Вместо щели можно использовать серию взаимодействующих скважин круглого сечения, располагаемых в одной плоскости. В этом случае расстояние между скважинами принимают минимально возможным, но не более ЗЯ, где 1 диаметр скважины. Колйчество скважин не менее трех Герметизацию осуществляют.во всех скважинах, а к нагнетатель20

4 ному или дегаэационному ставу подключают лишь часть из них.

Дегазацию проводят до тех пор, пока не достигают критерия безопасного состояния, в качестве которого принимают остаточную газоносность., При использовании скважин для увлажнения массива горных пород, опасного по динамическим явлениям степень увлажнения устанавливают в соответствии с "Инструкцией по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, опасных по горным ударам.

Ориентирование разгрузочной щели в массиве горных пород выполняют с учетом направленности скважин относительно плоскости пласта. На фиг. 2а приведены расчетные схемы ориентирования плоскопараллельных щелей или заменяющих их серий скважин, располагаемых по простиранию пласта; на фиг. 26 и в — схемы

\ ориентирования шелеи в скважинах по восстанию или пересекающих пласт гс нормали. На разрезах A-А и Б-Б видно, что в этих случаях щель ориентируют нормально к пластованию, так как направление слоистости d.= О, а угол 8 на разрезе по простиранию всегда равен 90 . о

При этом не имеет значения наклон вектора максимальных главных напряжений на разрезе по падению. Это относится к пластам, например, угля со спокойным залеганием. B нарушенных участках и в породах не угольного состава направление максимального напряжения, как и слоистость, могут быть иными.

Угол ф, определяющий направление максимального главного напряжения, зависит от многих факторов, в том числе от угла падения, структуры и прочностных свойств вмещающих пород, тектонической нарушенности, рельефа земной поверхности.

Определяют угол ф экспериментально, например методом разгрузки.

Разделка плоской щели обеспечивает разгрузку пород в определенном направлении, перпендикулярном ее плоскости и концентрацию напряжений в местах заделки — в области, прилегающей к торцам щели, Таким образом, в направлении, перпендикулярном плоскости щели, образуется "коридор разгруженных от давления пород, в котором обнаружена повышенная проницаемость флюидов газа или воды. Однако степень разгрузки и повышения фильтрационной способности горных пород зависит от ориентации разгрузочной полости относительно действую2$ и (. «2а

Г

КУБ ни .Го макснмяльногО глаппого папряже» ния. Прн ориентировании разгрузочной полости вдоль макснмальпого главного напряжения разгрузка пород в прилегающей к скважине области повышается (кривая 1 на фиг. 3). При расположении скважины по нормали к максимальному напряжению разгрузка снижается.

На фиг. 4 приведены схемы, характеризующие сравнительный эффект разгрузки и повышенной гаэоводопроницаемости в идентичных условиях неравнокомпонентного нагружения массива. Вектор максимального главного напряжения принят по вертикали. На фиг. 4а показана область разгрузки около круглой скважины. Эта область имеет место и распространяется в вертикальном направлении. Но размеры ее черезвычайно малы и не могут дать практического эффекта.

При разделке разгрузочной полости в направлении, перпендикулярном напряжению Gg, эта область увеличивается (фиг.

4б). Но расширение это обязано главным образом геометрическому размеру и новой форме полости, т. е, переходу от кругло формы к плоской. Главный эффект может быть получен за счет механизма деформирования пород в окрестности щели.

Наиболее выгодным образом с образованием максимального разгружающего действия это достигается при ориентировании щели параллельно напряжению Я (фиг. 4в) °

В массиве, например, осадочных пород существенное влияние на газопроницаемость оказывает также направленная слоистость, которая, например, в угольном пласте совпадает с плоскостью напластования. Наибольший эффект повышения газопронипаемости за счет ° проявления слоистости достигается при

HopMGBbHoM к выраженной слоистости направлении щели.

Эффект повышения газопронипаемости в окрестности полости может быть достигнут и применением скважин круглой формы при условии сближенности их на такое расстояние, что перемычки мемеgy скважинами под действием горного давления приходят в предельное состояние и деформируются. Серия таких скважин имитирует щель.

Условие перехода перемычек угля в предельное состояние может быть записано

83504 d где g - расстояние между скважинами;

Д - диаметр скважин; (3 - действующие в массиве, норма ные к плоскости, расположения

S скважин напряжения;

Q<>< » прочность на сжатие образцов угля кубической формы.

В условиях глубины работ 600 м и прочности угля 60 кгс/см предельно

1 допустимое расстояние между скважинами составляет 5ц. С учетом коэффициента запаса в нашем подходе это расстоя. ние принято 3 о .

Пример . Применительно х ус»» ловиям разработки пластов угля в Карагандинском бассейне, где по причине малой эффективности и больших сроков дегаэации существенно затруднена разработка выбросоопасных газоносных плас20 тов, осуществляют дегазацию пологого о (с(.= 20 ) опасного по газодинамическим явлениям пласта угля, разрабатываемого по системе длинными столбами по падению (фиг. 5). Из уклона 6 пробуривают длинные горизонтальные скважины 2, обеспечивающие дегаэацию выемочного столба, в том числе и полосы угля, по которой проходят передовой yzлон 7.

So Основным недостатком является большой срок дегазации 8-12 месяцев. Прохождение уклона 7 откладывается на этот срок и участок опаздывает с подготовкой фронта очистных работ.

С использованием предлагаемого способа можно ускорить срок дегазации столба в целом либо лишь полосы для прохождения уклона 7 (фиг. 5). В этом случае разделку разгрузочных полостей

3 выполняют лишь на участке длиной

10-12 м в призабойной части скважин.

Направление максимальных напряжений устанавливают экспериментельно.

Примем, по аналогии с имеющимися панными, Π— 100 . Тогда ?» — 100 + — =

= 1100

Наклон щели принимают равным 110 .

Размер разгрузочной полости при диаметре скважин 150 мм принимают не менее 300 мм.

Способ обеспечивает сокращение срока дегазации полосы угля 8 в 3-4 раза и уклон 7 может быть пройден своевременно и в безопасных по гаэодинамичес$$ ким явлениям условиях.

Формула изобретения

1» Способ предотвращения динамических и газодинамических явлений в мас883504

5 Z 4 1 сиве горных пород, включающий бурение скважины в массив горных пород, создание из скважины в массиве горных пород ориентированной разгрузочной полости для образования зоны разгрузки, герметизацию скважины и воздействие на физико-механические свойства массива горных пород, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности предотвращения динамических и газодинамических явлений эа счет рационального перераспределения напряжений в массиве горных пород, в массиве горных пород определяют направление вектора действующего максимального главного напряжения и направление выраженной слоистости горных пород, разгрузочную полость в массиве горных пород ориентируют относительно направления вектора действующего максималь- ного главного напряжения и направления выраженной слоистости горных пород, а угол наклона продольной оси разгрузочной полости определяют по формуле где P — угол наклона оси поперечного сечения полости; у - угол наклона вектора максимального главного напряжения; с(- угол наклона выраженной слоистости горных пород.

2.Способпоп. 1,отличаюш и и с я тем, что направление вектора действующего максимального главного напряжения определяют методом разгрузки.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л ич а ю ш и и с я тем, что направление вектора .действующего максимального главного напряжения определяют методом глубинных реперов.

4. Способ по пп. 1 - 3, о т л и— ч а ю шийся тем, что разгрузочную полость в массиве горных пород выполняют в виде щели.

5,Способ попп. 1-4, о тл ич а ю шийся тем, что разгрузочную полость в массиве горных пород выполняют в виде сближенных скважин, расположенных в одной плоскости, при этом расстояние между скважинами принимают минимально возможным и не более трех диаметров скважины.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Руководство по дегазации угольных шахт. М., "Недра, 1975, с. 40-57.

2. Авторское свидетельство СССР № 655839, кл. Е 21 Г 5/00, 1977.

883504

Составитель А, Дудченко

Техред З.фант а Корректор Г. Назарова

Редактор А. Шандор филиал ППЛ "Патент, г, Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 10 16 1/54 Тираж 466 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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