Пристрій для гідроімпульсного впливу на вугільний пласт

Пристрій для гідроімпульсного впливу на вугільний пласт, що включає високонапірну насосну установку, напірний трубопровід, герметизатор шпура або свердловини і генератор пружних коливань тиску рідини, що має вигляд кавітуючої трубки Вентурі і установлений у наконечнику герметизатора, який відрізняється тим, що генератор оснащений вхідним і вихідним каналами, при цьому діаметр вхідного каналу dвх визначається за швидкістю потоку на вході в генератор, що дорівнює 5-10 м/с при мінімальній довжині l вх = 10d вх , діаметр вихідного каналу dвих = 4-5 dкp при довжині l вих = 20d вих , а вхід у критичну частину генератора виконаний з округленою кромкою подвійного радіуса R1 = 0,2dкр і R2 = 0,33dкр, де dкр - діаметр критичного перерізу. (11) UA ки провокування газодинамічних явищ у процесі гідровпливу на викидонебезпечні пласти. Якісно нового рівня ефективності попереднього зволоження можна досягти імпульсним нагнітанням рідини у вугільний пласт. У роботах [2, 3] показано, що це дозволяє рівномірно нагнітати в пласт в'язкі рідини, що при статичному нагнітанні неможливо. Прототипом передбачуваного винаходу є пристрій для імпульсного нагнітання води у вугільний пласт [4], що включає високонапірну насосну установку, напірний трубопровід, герметизатор свердловини й генератор пружних коливань, встановлений на кінці герметизатора і гідравлічно сполучений з нагнітальним каналом останнього, при цьому генератор пружних коливань виконаний у вигляді кавітуючої трубки Вентурі. Гідроімпульсна обробка вугільного пласту з використанням зазначеного пристрою [3] дозволила збільшити в 1,5-2 рази радіус зволоження й знизити пилоутворення при руйнуванні вугілля до 80%. При цьому максимальний рівень пульсацій (19) Винахід відноситься до гірничої галузі й може бути використаним в технологічних процесах гідроімпульсного впливу на вугільні пласти через шпури або свердловини при проведенні заходів щодо запобігання раптовим викидам вугілля й газу, гірським ударам, підвищеному газовиділенню в гірничі виробки й зниження пилоутворення при видобутку вугілля. Відомі пристрої для нагнітання рідини у вугільні пласти при проведенні регіональних і локальних способів запобігання газодинамічним явищам [1]. Однак, як показує практика проведення гірничих робіт, при наявності пластів і пропластків вугілля з низькими фільтраційними властивостями, застосовувані пристрої статичного нагнітання рідини не забезпечують рівномірну обробку вугільного пласту по всій його потужності. Це призводить до формування зон привантаження й прояву газодинамічних явищ у вибої виробки після проведення заходів. Для їхнього усунення необхідне проведення додаткових робіт, що призводить до подорожчання заходів. Крім цього, мають місце випад 87038 (13) (21) a200710209 (22) 13.09.2007 (24) 10.06.2009 (46) 10.06.2009, Бюл.№ 11, 2009 р. (72) ВАСИЛЬЄВ ЛЕОНІД МИХАЙЛОВИЧ, ЖУЛАЙ ЮРІЙ ОЛЕКСІЙОВИЧ, ЗБЕРОВСЬКИЙ ВАСИЛЬ ВЛАДИСЛАВОВИЧ, МОІСЕЄНКО ПАВЛО ЮРІЙОВИЧ, ТРОХИМЕЦ МИКОЛА ЯКОВИЧ (73) ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ ІМ. М.С. ПОЛЯКОВА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) UA 11794 A1, 1981 UA 12807 U, 2006 RU 2211320 C2, 2003 UA 76341 С2, 2006 UA 31118 A, 2000 Васильев Л.М., Демченко В.С., Родин А.В. Импульсная насосная установка // Геотехническая механика: Межведомственный сб. науч. трудов. Днепропетровск, 2001. - Вып. 29. - С. 3-8. 2 C2 1 3 87038 4 тиску склав 3,5-8% від тиску статичного нагнітання редачі енергії коливань тиску по довжині фільтруР1 при його зміні від 5 до 32МПа й тиску підпору в ючої частини свердловини або шпуру досягає значені 180-23% від тиску нагнітання. На поверхні свердловині Р3»0,1Ρ1. Таким чином, конструктивні тріщин і дефектів вугілля у фільтраційній частині параметри генератора пружних коливань у діапашпуру або свердловини реалізується механізм зоні максимального рівня пульсацій забезпечили високочастотної гідроімпульсної вібрації. Це припередачу енергії імпульсів тиску вугільному пласту зводить до різкого зниження сил контактного й в межі 8% при максимальному тиску підпору внутрішнього тертя вугілля, росту й концентрації Р3=3,2МПа й тиску нагнітання 32МПа. ефективних дотичних напружень, які ініціюють Виходячи з вищевикладеного, виходить, що, розвиток деформацій зсуву в площинах, похилих незважаючи на високу ефективність зволоження до нашарування пластів і пропластків. вугілля в зоні обробки, параметри генератора У сукупності по своїх відмітних ознаках припружних коливань не дозволяють використати стрій для гідроімпульсного впливу на вугільний його в умовах викидонебезпечних пластів, де тиск пласт, перетворюючи високонапірну статичну тегазу (тиск підпору) у середньому становить 4чію рідини в дискретно-імпульсну забезпечує тех6МПа, а в деяких випадках досягає 12,0МПа. Віднічний результат - передачу руйнівної здатності значене є основним недоліком прототипу в частині імпульсів тиску вугільному пласту у фільтруючій застосування його з метою боротьби з газодинамічастині шпуру або свердловини в діапазоні тиску чними явищами. підпору, що відповідає максимальним значенням В основу винаходу поставлене завдання ствотиску газу в масиві. Під впливом високочастотної рення пристрою для гідроімпульсного впливу, у гідроімпульсної вібрації рідина, що нагнітається якому за рахунок забезпечення генератора вхідпід тиском у пласт, по різнонахило зростаючих ним і вихідним каналами й виконання входу в критріщинах зсуву проникає у вугільний пласт по всій тичну частину генератора з округленою кромкою його потужності й формує рівномірно зволожену й подвійного радіуса, досягається ефективна передегазовану колекторну зону. дача руйнівної здатності імпульсів тиску вугільноНа Фіг.1 показана схема пристрою для гідрому пласту через фільтруючу частину шпуру або імпульсного впливу на вугільний пласт; на Фіг.2 свердловини в діапазоні тиску підпору, що відповігенератор і зміни тиску й швидкості потоку по його дає максимальним значенням тиску газу в масиві, і довжині; на Фіг.3 - копія ділянки осцилограми із як наслідок, знижуються економічні витрати на записом коливань тиску в трубі-імітаторі свердлопроведення заходів. Поставлене завдання вирішується тим, що в вини за генератором DР2 на відстані »0,25м і DР3 пристрої для гідроімпульсного впливу на вугільний наприкінці імітатора-свердловини на відстані пласт, що включає високонапірну насосну устано»2,4м; на Фіг.4 - експериментальна залежність вку, напірний трубопровід, герметизатор шпуру пульсацій тиску рідини DР2 і DР3 у тих же перерізах або свердловини й генератор пружних коливань труби-імітатора свердловини й частоти прохотиску рідини, що має вигляд кавітуючої трубки Ведження імпульсів f від співвідношення тисків піднтурі і установлений у наконечнику герметизатора, пору Р3 і живлення Р1. згідно з винаходом генератор забезпечений вхідПристрій для гідроімпульсного впливу на вугіним і вихідним каналами, при цьому діаметр вхідльний пласт складається (Фіг.1) з високонапірної ного каналу dвх визначаються по швидкості потоку насосної установки 1, напірного трубопроводу 2, на вході в генератор, рівній 5-10м/с при мінімальгерметизатора свердловини 3, його наконечники 4 ній довжині lвх=10dвх, діаметр вихідного каналу і генератора кавітації 5, при цьому генератор виdвих=4-5dкр при довжині lвих=20dвих, а вхід у критичконаний у вигляді кавітуючої трубки Вентурі з куну частину генератора виконаний з округленою том розкриття дифузора ³20°, із входом у критичну кромкою подвійного радіуса R1=0,2dкр, і R2=0,33dкр, частину 6, виконаним з округленою кромкою поде dкр - діаметр критичного перерву. двійного радіуса R1=0,2dкр, і R2=0,33dкр, де dкр Завдяки такій сукупності істотних і відмітних діаметр критичного перерізу генератора, генераознак забезпечується вирівнювання швидкості тор кавітації споряджений вхідним 7 і вихідним потоку рідини на вході в генератор і передача енегідравлічними каналами 8, що забезпечують виріргії імпульсів з мінімальною втратою їхньої потужвнювання швидкості потоку на вході в генератор і ності вугільному пласту у фільтруючу частину максимальну передачу енергії імпульсу рідини в шпуру або свердловини. свердловину відповідно, при цьому діаметр вхідПри даних параметрах конструкції пристрою ного каналу dвх визначається по швидкості потоку досягаються нові результати. Так, при тиску нагніна вході в генератор рівної 5-10м/с при довжині тання 10,0МПа й тиску підпору 1,3МПа у фільтруlвх=10dвх, а діаметр вихідного каналу dвих=4-5dкр ючій частині шпуру або свердловини розмах колипри довжині lвих³20dвих. вань тиску становить 14,0МПа на виході із Пристрій працює в такий спосіб. пристрою із частотою проходження імпульсів При включенні насосної установки 1 рідина »1800Гц. заповнює напірний трубопровід 2 і через наконечТаким чином, запропонована конструкція приник герметизатора 4 і вхідний гідравлічний канал строю, що перетворить статичну течію рідини в 7, після вирівнювання поля швидкостей, подається імпульсну, навіть при мінімальному тиску нагнітанна вхід у генератор кавітації 5, пройшовши критичня рідини (10МПа) забезпечує протитиск підпору ну 6 і дифузорну частину генератора й вихідний газу в 14,0МПа, що на даний період часу перевиканал 8, рідина попадає у фільтруючу частину щує встановлений практикою максимальний тиск шпуру або свердловини 9. газу в масиві 12,0МПа. Максимальний рівень пе 5 87038 6 пристрою в кілька разів перевищує ефективність При цьому на вході в критичну частину генерапрототипу в широкому діапазоні зміни значень тора кавітації 5 (Фіг.2) у результаті зниження місцевого статичного тиску до рівня насиченого пару тиску підпору в свердловині Р3»0,05¸0,55 Р1 з часрідини утвориться кавітаційна каверна 10, що ростотами проходження імпульсів від 1000 до 6000Гц. те до максимальних розмірів з виходом у дифузоПопередні промислові випробування запропорну частину. Потім вся її дифузорна частина віднованого пристрою для гідроімпульсного впливу ривається, зноситься по потоку й захлопується в на вугільний пласт за схемою, представленої на гідравлічному каналі 8 у зоні підвищеного тиску Фіг.1, у підготовчих виробках шахти «Дуванна» підпору. ВАТ «Краснодонвугілля» підтвердили результати Для підтвердження працездатності й ефективстендових випробувань. ності пристрою для гідроімпульсного впливу на При статичному нагнітанні води насосною вугільний пласт у відповідності зі схемою, предустановкою УНТ, тривалість гідророзпушування ставленою на Фіг.1, було проведено експерименсклала 4хв., було закачано 0,2м3. У масиві утворитальне дослідження процесу поширення імпульсів лося дві магістральні тріщини з виходом води у тиску в свердловині. Випробування проводилися вироблений простір, що змусило припинити прона гідравлічному стенді Інституту геотехнічної мецес гідророзпушування й не дозволило закачати ханіки НАН України з використанням трубирозрахункову кількість води згідно [1]. імітатора свердловини. Як приклад на Фіг.3 предПри імпульсному нагнітанні води протягом 8 ставлені копії ділянки осцилограми із записом кохвилин закачано 0,6м3. У процесі гідророзпушуливань тиску рідини в трубі-імітаторі свердловини вання магістральних тріщин не утворилося, а вепри тиску нагнітання Р1=10МПа. Із представлених личина зволоженої колекторної зони по простяданих видно, що імпульси тиску за генератором на ганню пласту склала більше 6м. При цьому відстані 0,25м становлять DР2»18,0МПа, а напридинаміка виділення метану з масиву збільшилася в 12 разів у порівнянні з вихідною. кінці труби-імітатори DР3»2,3МПа. Процес відриву Джерела інформації й схлопування каверн, що відірвалися, відбуваєть1. Правила ведення гірничих робіт на пластах, ся строго періодично зі стабільною частотою в схильних до газодинамічних явищ / Стандарт Мінкілька сотень герців. Схлопування каверн у гідраввуглепрому України СОУ 10.1.00174088-2005. лічному каналі 8 із запропонованими геометричКиїв: Мінвуглепром України. - 2005. - 225 с. ними параметрами супроводжується значним під2. Васильєв Л.М. Развитие трещин в угольном вищенням тиску в імпульсі і їхньої передачі по массиве при импульсном нагнетании в него жиддовжині труби-імітатора. кости // Механика и разрушение горных пород. На Фіг.4 представлені експериментальні залеКиев: Наук, думка, 1993. - с. 60-65. жності кавітаційних коливань тиску DР2 за генера3. Васильев Л.М., Демченко B.C., Родин А.В. Имтором на відстані 0,25м і в кінці труби-імітатора пульсная насосная установка. - Сб. науч. трудов свердловини DР3 на відстані 2,4м і частоти прохо«Геотехническая механика», вып. №29, Днепропедження імпульсів f від співвідношення тисків у светровск, 2001. - с. 3-8. рдловині й живлення Р3/Р1 при тиску нагнітання, 4. Авторское свидетельство СССР №1034453, рівним 10МПа. Слід зазначити, що довжина фільтМКИ Ε21F5/02, 1981. Устройство для импульсного руючої частини свердловини або шпуру згідно [1] нагнетания воды в угольный пласт / А.В. Родин, становить 1-2м. Тут же представлена також експеЛ.М. Васильев, В.В. Пилипенко, В.А. Задонцев, риментальна залежність, запозичена з роботи [3], В.А. Дрозд, И.К. Манько и В.И. Бандурин. Опубл. величини імпульсів тиску в свердловині для про1983. Бюл. №29 (прототип). тотипу при тиску нагнітання 32МПа. Як видно з наведених даних ефективність запропонованого 7 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 87038 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601