Способ профилактической обработки горного массива и устройство для его осуществления

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Соцналнстнчесннх

Республик

{is> 911048

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6!) Дополнительное к авт. свид-ву

/ (22) Заявлено 170480 (21) 293б476/18-26

311hA Кп з

Е 21 F 5/02 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР яо делам изобретений и открытий!

ЩУДК 550.83 (088.8) Опубликовано 07.0382. Бюллетень ¹ 9

Дата опубликования описания 07. 03. 82 (72) Авторы изобретения

В.Н.Пузырев, A Â.Øàäðèí, Г.Ф.Спирина, Ю.И.Донсков и В.И.Крючков

1

Восточный научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПРОФИЛАКТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ГОРНОГО МАССИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

1 2

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для предотвращения газодинамических явлений, например внезапных выбросов угля и газа, горных ударов и т.д. при подземной разработке месторождений полезных ископаемых.

Известен способ профилактической обработки пластов прочного угля, тп заключающийся в воздействии сначала напорного, а затем импульсного режима нагнетания, автоматически чередуемых по мере изменения гидравлического сопротивления пласта (1).

Известный способ характеризуется следующими недостатками: при автоматическом чередовании напорного и импульсного режимов нагнетания возможно рассогласование физико-механических свойств угольного массива и значения давления нагнетаемой жидкости, в результате чего возможно локальное.разрушение массива, что снижает эффективность увлажнения и увеличивает опасность горных работу импульсный режим нагнетания целесообразен лишь для пластов прочного угля при использовании коротких скважин. В противном случае, эа счет потери энергии на преодоление сил трения, обуслов- 1 З0 ленных вязкостью жидкости, неровностями поверхности .скважин.и т.д., импульсы быстро затухают и не создают ожидаемого эффекта.

Наиболее близким к изобретению является способ профилактической обработки горного массива, предназначенный для предварительного увлажнения угля в массиве, включакщий бурение скважин, их герметизацию и нагнетание через них жидкости при подьеме давления до порогового значения, оптимальное значение которого опре- деляется посредством опытного нагнетания при различных давлениях 2 ).

Этот способ имеет следующие недостатки: после опытного нагнетания для определения оптимального значения давления скважина является непригодной для последующего использования, поскольку в ней произведен гидрораэрыв;вследствие неоднородности фильтрационных свойств на различных участках одного и того же пласта оп-. тимальные значения давления могут существенно отличаться, поэтому необходимо испытывать, а, следовательно, и разрывать все скважины, что является неприемлемым; большие затраты времени на обработку массива. Таким

911048 образом, известный способ имеет невысокую э4 Ьективность и связан с большими затратами времени и средств.

Для осуществления известных способов используются устройства, включающие герметизатор скважины, высоконапорный насос с контрольно-измерительной аппаратурой и напорную магистраль. При необходимости в устройство входит также повыситель дав- . ления или источник импульсов давле- 10 ния (3).

Однако указанные устройства не имеют автоматизированного управле.ния параметрами нагнетания в зависимости от фильтрационно-коллекторских 35 свойств пласта.

Наиболее близким к изобретению является устройство для непрерывного автоматического сейсмоакустического измерения изменений динамичес- у0 кого шума породного массива, которое, в принципе, можно использовать для управления насосной установкой, хотя назначением pro является регистрация с помощью электрической пишущей машинки динамического шума породного массива для дальнейшего изучения напряженно-деформированных и неустойчивых состояний породного массива. Известное устройство содержит геофоны, к которым последовательно по двум изыерительным каналам подключены буферные ступени, аттенюаторы, усилители, низкочастотные фильтры, 6азделительные усилители, блоки формирования сигналов, регуляцион-З5 ные контуры для выбора амплитудного уровня, детекторы, опрокидывающиеся схемы шмидта, счетчики, блок индикации .и блок записи, а также блок управления с выходом на.концевые меха- 40 низмы. Оборудование производит анализ с помощью автоматической цифровой .записи частоты сейсмоакустических импульсов в выбранном интервале времени: 4 ). 45

Недостатки известного устройства— отсутствие цепи обратной связи, позволяющей изменять воздействие на контРолиРуемую зону пласта; В уст- 0 ройстве применена частотная селекция сигналов на фоне помех с помощью фильтра низких частот, а также амплитудная селекция, осуществляемая регуляционными контурами.. Известно, что .импульсный сигнал помехи имеет очень широкий спектр частот, поэтому обеспечить защиту от помех частотной селекцией практически невозможно. Амплитудная селекция защищает лишь от помех, амплитуда которых 60 меньше порогового напряЖения. При . Увеличении порогового напряжения уменьшается количество сигналов помех, но при этом снижается и радиус действия аппаратуры, поскольку из обработки исключаются сигналы акустической эмиссии, обусловленные динамическими явлениями, происходящими в удаленных от мест установки геофонов участках.

Цель изобретения — повышение эффективности профилактической обработки горного массива и снижение продолжительности ее путем автоматического выбора режима нагнетания в зависимости от изменения фильтрационно-коллекторских свойств горного массива.

Поставленная цель достигается гем, что в процессе нагнетания жидкости определяют изменение акустической эмиссии в постоянный интервал времени в зависимости от давления жидкости, причем подъем давления жидкости осуществляют ступенями, а при увеличении приращения акустической эмиссии до порогового значения давление снижают до предыдущей ступени и повторно осуществляют контроль, причем за пороговое значение принимают среднюю величину приращения акустической эмиссии °

Для осуществления способа предлагается устройство для ;.профилактической обработки горного массива, содержащее насосную установку с гидромагистралями и герметизаторами, скважин, геофоны, последовательно соединенные блоки усилителей, фильтРов и формирования сигналов, и блоки управления режимом и приводом насоса. Устройство содержит последовательно соединенные блок пространственной селекции и блок анализа зависимости .акустической эмиссии от давления нагнетания, включенные между блоками формирования сигналов и блоком управления приводом насоса, а к ним и к блоку управления приводом насоса параллельно подключен блок управления режимом.

На фиг .1 показана блок-схема устройствау,на фиг.2 — функциональная схема блока пространственной селекции; на фиг.3 — функциональная схема блока анализа зависимости акустической эмиссии от давления нагнетанину на фиг.4 — график изменения давления нагнетания во времени в зависимости от приращения акустической эмиссии.

Процесс нагнетания жидкости начинают с включения двигателя насоса, без подачи .жидкости в загерметизированную скважину. Добившись максимальных оборотов двигателя насоса, регулируют коэффициент усиления, частоту среза фильтров верхних частот и зону нечувствительности звеньев нечувствительности для обеспечения защиты от непрерывных помех, а также проверяют работоспособность блока

-пространственной селекции.

911048 явления закономерности изменения акустической эмиссии. необходимо на рабочем участке характеристики насо- 2Р са задать несколько интервалов контроля и определить среднюю величину приращения акустической эмиссии в интервале контроля, на основании которой выбирается пороговое значение приращения акустической эмиссии (6Ак). Дальнейшее изменение режима нагнетания жидкости осуществляют

2S с учетом временных зависимостей контрольного (кривая П) и текущего (кривая 91) поынтервального изменения акустической эмиссии. При значениях текущих значений приращений акустической эмиссии (ЬА ) в контролируеМом интервале меньшем чем.ЬА переходят на следующую, более высокую, ступень давления. Если в какой-либо момент времения на контролируемом интервале дА (hh„ необходимо сразу переходить иа более низкую ступень давления. Если повторный контроль

40 на данной ступени покажет, что 6 А с (ЬАк, то снова .переходят на следую,щую, более высокую, ступень давления, а если ЬА- достигает ЬА„, то давление еще снижают на одну ступень.

Таким образом, предлагаемый

45 способ позволяет быстро выйти на режим нагнетания, соответствующий предельным значениям фильтрационноколлекторских свойств горного массива и избежать нежелательного гидравлического разрыва пласта.

Устройство для осуществления указанного способа содержит геофоны 1 и 1, которые улавливают сигналы акустической эмиссии, возникающие в массиве (см. фиг.1 ). Геофоны размещают по оси короткого шпура, пробуренного в забое выработки. Такое размещение позволяет в дальнейшем фиксировать только сигналы, поступающие из массива за плоскостью 1-2, проходящей через середину расстоя-.

d0 ния между геофонами. Сигналы с выхода геофона усиливаются усилителями 2

Нагнетание жидкости в массив начинают с минимального давления, например, .с 10 кгс/см . На кривой изменения давления нагнетания во времени 1 начальный период длится интервал времени равный — Ф где 1 —

5 время включения режима лоинтервального повышения давления; то — время включения насоса в работу (см. фиг.4). С момента времени g повышение давления осуществляют ступенями, например по 10 кгс/см, и одновременно фиксируют акустическую эмиссию в зоне массива, подвергаемой профилактической обработке. На протяжении интервала контроля А| давление нагнетания поддерживают постоянным и выделяют количество сигна-. яов, поступающих из массива. Для выи 2 и поступают на фильтры высоких частот 3 и 3, которые подавляют ! наиболее интенсивные спектральные составляющие непрерывных помех, обусловленных работой насоса, шахтных транспортных, выемочных и других машин и механизмов. Подавление этих помех осуществляется за счет того, что в спектре сигналов акустической эмиссии, возникающих при образовании новых, углублении и расширении старых трещин, имеются более высокочастотные составляющие, чем при работе указанных машин и механизмов. Сигнал с выхода фильтров поступает на вход звеньев нечувствительности 4 и 4 которые служат для амплитудной селекции полезных сигналов на фоне непрерывных помех. Необходимость в звеньях нечувствительности определяется тем, что фильтры 3 и 3 не могут

I полностью подавить сигналы непрерывных помех. Кроме того, в результате непрерывных небольших подвижек в горном массиве с выхода геофонов постоянно .снимается фоновое напряжение, имеющее высокочастотные составляющие небольшой амплитуды. К фону относятся также сигналы, возникающие в результате воздействия на геофоны переотраженных от различного рода неоднородностей массива волн, которые вследствие затухания имеют меньшую, по сравнению с первичной волной, амплитуду. Выходной сигнал звеньев нечувствительности поступает на входы схем формирования сигналов, которые состоят из блоков двухполупериодных выпрямителей 5 и 5 и одновибI раторов б и 6 .

Блоки 5 и 5 преобразуют двухпо-: лярный входной сигнал в однополярный двухуровневой сигнал, согласованный с последующими логическими элементами схемы. Двухполупериодное выпрямление позволяет сохранить информацию о времени вступления сигнала акустической эмиссии вне зависимости от его полярности. Импульсные сигналы блоков 5 и 5 управляют работой одновибраторов с повторным запуском б и б, которые при поступлении на вход импульса перебрасываются в противоположное исходному состояние и удерживаются в нем, если длительность паузы между входными импульсами не превышает, например, О, 01. с, поскольку, как показали исследования, один акт образования новых, удлинения или расширения старых трещин сопровождается высокочастотными составляюшими, которые в течение елиничного акта акустической эмиссии могут прерываться на интервал времени в 0,005 — 0,007 с. В противном случае схема возвращается в исходное состояние. Таким образом формируется импульс на каждый единичный акт трешинообразования, corrpo911048 ф

8 вождающиИся гармоническим.амплитудно-частотно-модулированным затухающим процессом. С выходов однонибраторов сигналы поступают на входы бло ка пространственной селекции 7, где за счет разности времени прихода импульса от источника на разнесенные геофоны 1 и 1 выделяются только импульсы, поступающие от .источников, находящихся н массиве за плоскостью

1-1 .

С выхода блока пространственной селекции сигналы поступают в блок 8 анализа зависимости акустической эмиссии от давления нагнетания, где осуществляется формирование интервала контроля, определяется .контрольное значение приращения акустической эмиссии, производится сравнение текущего значения приращения с пороговьп". и нырабатываются управляющие импульсы для бЛока управления приводом.9, который оказывает воздействие на насосную установку 10, обеспечивая ступенчатое. изменение давления нагнетания. В момент вклю чения режима поинтервального повышения давления блок управления 11 режимом, включенный параллельно блокам 7 — 9, вырабатывает импульс, которым логические элементы этих блоков устанавливаются в исходное состояние. Блок управления приводом может включать реверсинный счетчик .импульсов, цифровой код которого преобразуется с помощью цифроаналогового преобразователя в напряжение, которым управляется, например, тиристорный преобразователь частоты, питающий днигатель насосной установки. Блок индикации 12 предназначен для контроля за работой основных блоков устройства. Нагнетание жидкости в массив производят с, помощью скважины через герметизатор 13.

Блок пространственной селекции (см. фиг.2) состоит из двух тригге- ров 14 и 14, подключенных к логическим схемам ИЛИ-НЕ 15, И 16 .и

ИЛИ 17. Установка триггеров в исходное состояние осуществляется одно- вибратором 18, который запускается через схему ИЛИ 17 от блока управления режимом.

Функциональная схема блока анализа зависимости акустической эмиссии от давления (см..фиг. 3) включает счетчик импульсов 19, схему сравнения 20, коммутатор 21, регистр 22, подсоединенный к схеме сравнения, последовательно соединенные логический элемент И 23, делитель частоты 24 и счетчик контрольного значенИя приращения акустической эмиссии

25, каскады формирования интервала контроля 26, выработки. импульса записи 27 и выработки внутриинтернального импульса установки нуля 28, триггер управления счетчиком интервалов контроля 29, логический элемент И 30, счетчик интервалов контроля 31, дешифратор 32 и триггер управления формированием порогового

5 значения приращения 33, образующие последовательную цепь и подсоединенные к логическим элементам И 30, 23 и 34. К каскаду 28 и элементу И 34 подключены счетчик текущего значения приращения 35 и схема сравнения 36 с выходом на блок управления приводом 9.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Нагнетание жидкости в пласт, например, с целью предотвращения внезапного выброса угля и газа, может осуществляться насосной установкой типа УНР или УН-35. Герметизация

2О скважины может производиться герметизатором ТГ-100. После окончания режима запуска начинается режим поинтервального повышения давления и начинается регистрация с помощью геофонов 1 и 1 акустической эмиссии в,обрабатываемом массиве. При этом блок управления режимом 11 вырабатывает импульс, которым логические элементы блоков 7 — 9 устананливаются в исходное состояние. Одновременно включается каскад формирования интервала контроля 26, который через равные промежутки времени (интервалы контроля) вырабатывает управляющие импульсы. Эти управляющие импульсы

З5 периодически поступают в блок управления приводом 9, который оказывает воздействие на насосную установку 10, обеспечивая ступенчатое повышение давления нагнетания. С началом каж40 дого интервала контроля каскад выработки импульса записи 27 вырабатывает короткий импульс, которым открывает коммутатор 21, и двоичный код счетчика импульсов 19 переписы4g вается в регистр 22. Задним фронтом импульса каскада 27 запускается каскад выработки внутриинтервального импульса установки "0" 28, который в начале каждого интервала контроля

50 устанавливает соответствующие каскады 8 в исходное состояние. В начале первого с момента включения режима поинтервального повышения давления нагнетания интервала контроля в каскадах 19 и 28 записаны нули, поэтому схема сравнения 20 фиксирует равенство поступающих на ее входы цифровых кодов и устанавливает на своем выходе логическую единицу до начала следующего интервала контрое0 ля. В случае, если в парные несколько интервалов контроля повышения давления не фиксируются акустические сигналы, схема сохраняет вышеописанное состояние. Появление curi Я нала регистрируется обоими геофона911048 ми 1 и 1 и передается до блока 7 по параллельным цепям. В блоках 2

6 происходит. подавление помех и выделение полезных сигналов.

Работа этих блоков осуществляется по вышеописанным принципам. Ло

5 поступления сигналов в блок пространственной селекции 7 блок управления режимом вырабатывает импульс, который, пройдя схемы ИЛИ 17 блока

7, запускает одновибратор 18. Одновибратор устанавливает триггеры 14 и 14, в исходное состояние, при этом схема, И 16 открыта по одному входу высоким уровнем напряжения, снимаемого с инверсного выхода триг- !5 гера 14 . Поэтому, если вначале сигнал акустической эмиссии приходит на геофон 1-, он проходит через схему И 16 для дальнейшей обработки.

Если же сигнал вначале достиг гео- „ф фона 1, триггер 14 перебрасывается в противоположное состояние, обеспечивая закрывание схемы И 16. Цикл работы блока пространственной селекции 7 заканчивается, когда сигнал акустической эмиссии минует точки установки геофонов. При этом с инверсных выходов и входов установки в "1" обоих триггеров 14 и 14 сни-! маются низкие уровни напряжения, 30 что приводит к появлению высокого уровня напряжения на выходе схемы

ИЛИ-НЕ 15. Этот высокий уровень напряжения проходит схему ИЛИ 17 и запускает одновибратор 18,задним фронтом импульса которогб триггеры

14 и 14 перебрасываются в противоположное состояние, чем обеспечивается переход в исходное состояние всех уэлов блока пространственной селекции. 40

Выделенный полезный сигнал акусти-, ческой эмиссии иэ блока 7 поступает в блок 8 и одновременно в блок индикации 12. В блоке 8 срабатывает триггер управления счетчиком интервалов контроля 29, при этом открывается по одному входу схемы И 30, и последующие импульсы из каскада 27 поступают на вход счетчика интервалов контроля 31. В то же время схема И 23 0 открыта по двум входам сигналами логической единицы схемы сравнения 20 и триггера управления формированием .контрольного значения приращения акустической эмиссии 33. Поэтому во время интервала контроля, к которому приходит первый импульс акустической эмиссии, все импульсы блока 7 поступают в счетчик 19 и через делитель частоты 24 в счетчик контрольного значения приращения (hA<) 25. с íà- dO чалом следующего интервала контроля двоичный код счетчика импульсов 19 переписывается в регистр 22 и каскады 19 и 20 устанавливаются в нулевое оостояние..Счетчик импульсов 19 65 продолжает подсчет импульсов, и в момент времени, когда цифровые коды счетчика импульсов 19 и регистра 22 сравниваются, схема сравнения 20 установит на своем выходе сигнал логической единицы и последующие в данном интервале контроля сигналы акустической эмиссии поступают через делитель частоты 24 на вход счетчика контрольного значения приращения 25.

Таким образом, в течение, например, N+1 интервалов контроля на вход делителя частоты поступают все импульсы, порядковый номер которых превышает значения, ° подсчитанные счетчиком импульсов 19 в предыдущие интервалы контроля. После того, как на вход счетчика интервалов контроля 31 поступит N импульсов, что соответствует заданному повышению давления нагнетания, например, до 70% от давления, соответствующего гидроразрыву для данного пласта, дешифратор 32 устанавливает на своем выходе сигнал логической единицы, который триггер

33 перебрасывает в противоположное состояние и схема И 23 оказывается з;.крытой. Коэффициент деления делителя частоты 24 выбирают несколько: меньше чем й+1, поэтому на счетчике контрольного значения приращений акустической эмиссии 25 формируется код порогового значения, взятый с доверительным интервалом. В последующие интервалы контроля импульсы акустической эмиссии, порядковый номер

1 которых превышает значение, подсчитанное в предыдущем интервале и за писанное в регистр 22, поступает через схему И 34 на счетчик текущего значения приращение 35.

Схема сравнения 36 производит сравнение кодов счетчика 35 с кодом счетчика 25 и выдает разрешение в блок 9 о переходе на следующую более высокую ступень давления нагнетания. Если в какой-либо-момент эти коды сравнялись, то на выходе схемы 36 появляется сигнал логической единицы, который поступает в блок управления приводом 9, вследствие чего. насосная установка 10. снижает давление до предыдущей ступени. Одновременно сигнал из блока 9 поступает в каскад 26, обеспечивая включение .следующего интервала контроля, и на коммутатор 21, запрещая запись в регистр 22 кода счетчика импульcos 19, тем самым сохраняя в регистре опорное значение акустической эмиссии, измеренное в интервале контроля, не сопровождающейся началом гидравлического разрушения массива. Если яа следующем интервале контроля текущее значение приращения акустической эмиссии не сравнивается с пороговым значением, то блок 8 выдает сигнал блоку 9 о подъе911048

12 ме давления нагнетания на очередную ступень. Если снова зти значения

; равняются, то выдается сигнал на снижение давления еще на одну сту.пень. Обработка массива заканчивается, когда на предельном режиме ра боты устройства массив не принимает жидкость, что свидетельствует о его насыщении. ! г

Использование предлагаемого способа профилактической обработки горного массива и устройства для его осуществления позволяет снизить затраты времени на нагнетание жидкости, повысить надежность профилактических мер и снизить затраты средств на обслуживание за счет автоматизации процессов контроля и управления.

Кроме того, изобретение позволяет производить нагнетание в режиме оптимальной фильтрации, т.е. не допуская гидроразрыва пласта, причем с быстрой автоматической перестройкой параметров нагнетания для согласования с физико-механическими свойствами наиболее склонного к гидрорызрыву в каждый текущий момент времени локального участка обрабатываемого массива.

Формула изобретения

1. Способ профилактической обра-, ботки горного массива, включающий нагнетание жидкости в массив при подъеме давления до порогового значения, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и сокращения продолжительности обработки путем автоматического выбора режима нагнетания в зависимос(ти от изменения фильтрационно-коллекторских свойств горного массива, Ъ определяют изменение в интервале времени акустической эмиссии увлажняемой зоны массива в зависимости о": давления жидкости при ступенчатом подъеме давления на каждом интервале, а при достижении текущим значением приращения акустической эмиссии пороговой величины давление снижают до предыдущей ступени и повторно осуществляют контроль, причем за пороговое значение принимают среднюю величину приращения акустической эмиссии, 2. Устройство для осуществления способа по п. 1,содержащее насосную установку с гидромагистралями и. герметизаторами скважин, геофоны и последовательно соединенные блоки усилителей, фильтров, формирования сигналов и блоки индикации, управления

М режимов и приводов насоса, о т л ич а ю ta е е с я тем. что оно содержит последовательно соединенные блок пространственной селекции и . блок анализа зависимости акустической эмиссии от давления, включенные между блоками формирования сигналов и блоком управления приводом насоса, а к ним и к блоку управления приводом насоса параллельно подключен блок управления режимом.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 174586, K . E 2i F 5/02, 1964.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 175468, кл. E 21 F 5/02,1964 (про.тотип).

3. Авторское свидетельство СССР ,Р 296892, кл, Е 21 F 5/02, 1969.

4. Авторское свидетельство СССР

40 Р, 402840, кл. G 01 V 1/24,1.971 (про тотип).