Спосіб дегазації виробленого простору в зоні активних зрушень

УКРАЇНА (19) UA (11) 95539 (13) C2 (51) МПК (2011.01) E21F 5/00 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) СПОСІБ ДЕГАЗАЦІЇ ВИРОБЛЕНОГО ПРОСТОРУ В ЗОНІ АКТИВНИХ ЗРУШЕНЬ 1 2 (13) 95539 (11) Спосіб здійснюється шляхом буріння з підготовчої виробки викривленої свердловини змінного напрямку в бік відпрацьованого простору, установлення в устя свердловини обсадної труби, герметизації свердловини, підключення свердловини до вакуумної системи і каптування метану. Буріння свердловини здійснюють з підготовчої виробки і орієнтують її в бік виробленого простору лави, де відбувається найбільш інтенсивна природна дегазація газоносних порід. Навколо підготовчої виробки та виробленого простору лави виникають зони інтенсивної руйнації порід. Саме тому вісь дегазаційної свердловини виконують викривленою з таким розрахунком, щоб оминути ці зони або перетнути їх під оптимальним кутом і таким чином зберегти хоча б частково канал дегазаційної свердловини, що дозволяє каптувати вибухонебезпечний метан. Для цього свердловину починають бу UA Винахід належить до гірничої промисловості і може бути використаний для дегазації тонких похилих вугільних пластів на середніх та великих глибинах за допомогою дегазаційних свердловин з підготовчої виробки при відпрацюванні довгого очисного вибою. Відомий спосіб дегазації супутників вугільних пластів в зоні активних зрушень, яка виникає позаду діючої лави, що опублікований в статтях Dubinski J. New safety technologies in underground tw mines // 20 World Mining Congress 2005 "Mining and Sustainable Development". - Tehran, 2005, pp.68-71, Figure 1, а також Kravits S., Li J. Innovative in-mine gas recovery techniques implemented by Resource Enterprises.-Proc. Int, Sym. Management and control of high gas emissions and outbursts in underground coal mines. Wollongong1995. Pp.524. залежністю:   e(2) ,  - полярний кут, що змінюється в діапазоні 4,24 5,76, рад, e - основа натурального логарифму,  - емпіричний коефіцієнт, що визначається згідно з залежністю:   0,0028ln(m)  0,0008 , де m - виїмкова потужність пласта, м, а координати Z проекції дегазаційної свердловини на вертикальну площину, що проходить через устя дегазаційної свердловини, визначають згідно з залежністю: Z=b*ln(0,4*(Y+3))-1, де b визначається в залежності від виїмкової потужності m ln( ) 0,485 . b 0,103 C2 X   cos()  4,56, м, Y   sin()  8,95, м, де  - полярний радіус, який визначається згідно з (19) (21) a201000347 (22) 15.01.2010 (24) 10.08.2011 (46) 10.08.2011, Бюл.№ 15, 2011 р. (72) НАЗИМКО ІВАН ВІКТОРОВИЧ (73) НАЗИМКО ІВАН ВІКТОРОВИЧ (56) US 3934649 А, публ. 27.01.1976 UA 78006 С2, публ. 15.02.2007 SU 750108 А1, публ. 29.07.1980 SU 1002603 А1, публ. 07.03.1983 SU 1754906 А1, публ. 15.08.1992 RU 2319838 С1, публ. 20.03.2008 US 4978172 А, публ. 18.12.1990 (57) Спосіб дегазації виробленого простору в зоні активних зрушень, що містить буріння з підготовчої виробки викривленої дегазаційної свердловини змінного напрямку в бік виробленого простору, установлення в устя свердловини обсадної труби, герметизацію свердловини, підключення свердловини до вакуумної системи і каптування метану, який відрізняється тим, що викривлену дегазаційну свердловину виконують у вигляді тривимірної логарифмічної спіралі, при цьому координати X, Y горизонтальної проекції дегазаційної свердловини визначають згідно з залежностями: 3 рити з породного оголення підготовчої виробки майже вертикально, а з віддаленням вибою свердловини вглиб масиву вісь поступово загинають у бік виробленого простору, в якому власне і вивільняється максимальна кількість вибухонебезпечного метану. Проте оптимальна форма осі дегазаційної свердловини не була відома раніше і практики виконують кривизну свердловин, виходячи з власного досвіду, в результаті чого виникають похибки, які обумовлені суб'єктивними чинниками. Це призводить до руйнації каналу дегазаційної свердловини, тому що її вісь зачіпає зони максимального руйнування масиву. Це зменшує ефективність дегазації. Найбільш близьким аналогом способу, що заявляється є спосіб дегазації вугільного пласта згідно з патентом US3934649, 27.01.1976. Спосіб реалізують шляхом буріння з земної поверхні або з підготовчої виробки викривленої дегазаційної свердловини змінного напрямку в бік відпрацьованого простору, установлення в устя свердловини обсадної труби, герметизацію свердловини, підключення її до вакуумної системи та каптування метану. Спочатку свердловину бурять у напрямку, близькому до вертикального. Потім поступово завертають вісь свердловини в бік відпрацьованого простору і після входження в вугільний пласт свердловину орієнтують горизонтально. Таким чином свердловину виконують викривленою. Потім вставляють в устя свердловини обсадну трубу,герметизують її, підключають до вакуумної системи і каптують метан. Надання викривленої форми дегазаційній свердловині дає можливість оминути зони підвищеного гірського тиску та зони інтенсивних руйнацій. Проте викривлення дегазаційної свердловини виконується на розсуд буровиків, оскільки в способі аналога не наводиться закон, згідно з яким викривляють вісь дегазаційної свердловини. Це не гарантує уникнення зон підвищеного тиску та зон інтенсивних руйнувань масиву гірських порід, які виникають в процесі відпрацювання лави. Саме після розшарування та руйнації газоносного масиву гірських порід вивільнюється основна частка вибухонебезпечного метану. Таким чином приблизне викривлення дегазаційної свердловини підвищує вірогідність руйнування каналу свердловини, що в підсумку знижує ефективність дегазації. Суттєві ознаки найближчого аналога, які співпадають з ознаками об'єкта, що заявляється: 1. Буріння з підготовчої виробки викривленої свердловини змінного напрямку в бік виробленого простору. 2. Установлення в устя свердловини обсадної труби. 3. Герметизація свердловини. 4. Підключення свердловини до вакуумної системи. 5. Каптування метану. Задачею винаходу є удосконалення відомого способу дегазації виробленого простору в зоні активних зрушень за рахунок вибору оптимальної форми свердловини у тривимірному просторі, що дозволяє розмістити свердловину за межами зони 95539 4 небезпечних проявів гірського тиску. Це підвищує ефективність дегазації виробленого простору завдяки збереженню каналу свердловини в зонах максимальних проявів гірського тиску позаду діючої лави і одночасно мінімізує довжину дегазаційної свердловини. Для вирішення поставленої задачі в способі дегазації виробленого простору в зоні активних зрушень, що містить буріння з підготовчої виробки викривленої дегазаційної свердловини змінного напрямку в бік виробленого простору, установлення в устя свердловини обсадної труби, герметизацію свердловини, підключення свердловини до вакуумної системи і каптування метану, згідно з винаходом викривлену дегазаційну свердловину виконують у вигляді тривимірної логарифмічної спіралі, при цьому координати X, Y проекції дегазаційної свердловини в горизонтальній площині визначають згідно з залежностями: X   cos ()  4,56, м , Y   sin()  8,95, м , де  - полярний радіус, який має розмірність в метрах та визначається згідно з залежніс( 2 ) ,м , тю:   e  - полярний кут, що змінюється в діапазоні 4,24-5,76, рад., e - основа натурального логарифму,  - емпіричний коефіцієнт, що має розмірність в метрах (Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров. -М: Наука, 1964.-С.112) і визначається згідно з залежністю:  = 0,0028LN (m) + 0,0008, де m - виїмкова потужність пласта, м, a координати Z проекції дегазаційної свердловини на вертикальну площину, що проходить через устя дегазаційної свердловини визначають згідно з залежністю Z  b * LN(0,4 * (Y  3))  1 м , , b визначається в залежності від виїмкової де потужності, b  ln(m / 0,485) / 0,103, м . Саме в зоні активних зрушень відбувається найбільш інтенсивна дегазація вугільних супутників та газоносних пісковиків. Проте навколо підготовчої виробки в зоні впливу очисного вибою відбувається активна руйнація порід, інтенсивність якої максимальна в покрівлі з боку лави і де свердловина може зруйнуватися. Додатково в боковій стінці виробки з боку лави утворюється зона підвищеного гірського тиску, який також не сприяє стійкості дегазаційної свердловини. Окрім того в глибині масиву навколо площини повних зрушень, що утворюється позаду лави, виникають зони зосередженого зсуву, які канал дегазаційної свердловини може перерізати. Дослідженнями встановлено переважні напрямки зосередженого зсуву, а також просторовий характер розподілу небезпечних для дегазаційної свердловини зон. Отже при бурінні дегазаційної свердловини бажано розмістити її так, щоб оминути зони максимальної руйнації і підвищеного гірського тиску і крім того перетнути зони зосередженого зсуву під оптимальним кутом. Результати досліджень вказують на те, що 5 95539 існує область, в межах якої негативні прояви гірського тиску мінімальні. Можливі траєкторії свердловин, що проходять через вказану область, мають вигляд тривимірних логарифмічних спіралей. Параметри цих спіралей в першу чергу залежать від виїмкової потужності вугільного пласта. Саме тому виконання дегазаційної свердловини у вигляді логарифмічної спіралі дозволяє оминути негативні зони і зберегти канал дегазаційної свердловини, причому довжина свердловини при оптимальних параметрах логарифмічної спіралі є мінімальною з усіх можливих. Завдяки цьому дегазаційна свердловина зберігає свій канал і досягає газоносних супутників та пісковиків при мінімальній довжині, що мінімізує її аеродинамічний опір і підвищує таким чином ефективність дегазації. Суть нового способу дегазації виробленого простору в зоні активних зрушень ілюструється кресленнями, де на фіг. 1 зображено комбіновану систему розробки вугільного пласта з прямоточною схемою провітрювання та дегазацією виробленого простору за допомогою дегазаційних свердловин. Позиціями 1 вказані дегазаційні свердловини, 2 - відпрацьований струмінь повітря, 3 - свіжий струмінь в конвеєрній підготовчій виробці 4. Позицією 5 вказаний напрямок руху лави 6, стрілки 7 і 8 вказують на свіжий струмінь повітря, що рухається по лаві 6 та вентиляційній підготовчій виробці 8. Позицією 9 вказаний відпрацьований простір, а позицією 10 зона активних зрушень позаду лави 6. Центр системи координат О суміщений з устям дегазаційної свердловини 1, вісь X орієнтована перпендикулярно конвеєрній виробці 4, з якій пробурені дегазаційні свердловини 1, а вісь Y - уздовж підготовчої виробки 4. Вісь Z орієнтована вверх проти сили тяжіння і перпендикулярно горизонтальній площині XOY. На фіг. 2 наведені проекції дегазаційних свердловин на площину XOY, а на фіг. 3 - на площину ZOY для різних значень виїмкової потужності пласта. Позиції 11 і 12 позначають відповідні проекції для виїмкової потужності 1,5 м. Спосіб дегазації виробленого простору в зоні активних зрушень реалізують наступним чином. Бурять з підготовчої виробки 4 викривлену дегазаційну свердловину 1 змінного напрямку в бік зони активних зрушень 10. Викривлену дегазаційну свердловину 1 виконують у вигляді тривимірної логарифмічної спіралі, при цьому координати X, Y проекції дегазаційної свердловини 1 в горизонтальній площині XOY визначають згідно з залежностями X   cos ()  4,56, Y   sin()  8,95, де р - полярний радіус, який визначається згі( 2) дно з залежністю:   e ,  - полярний кут, що змінюється в діапазоні 4,24-5,76 радіан (в градусах це становить 243330°). Менше значення полярного кута відповідає положенню устя дегазаційної свердловини, більше - її вибою, 6  - емпіричний коефіцієнт, що має розмірність в метрах і визначається згідно з залежністю:   0,0028LN(m)  0,0008 , де m - виїмкова потужність пласта, м. Координати Z проекції дегазаційної свердловини на вертикальну площину ZOY, що проходить через устя дегазаційної свердловини 1, визначають згідно з залежністю: Z  b * LN(0,4 * (Y  3))  1, де b визначається в залежності від виїмкової потужності як b  ln(m / 0,485) / 0,103, м . Після закінчення буріння в устя дегазаційної свердловини вставляють обсадну трубу, герметизують свердловину, підключають її до вакуумної системи і каптують метан. Приклад виконання способу дегазації виробленого простору в зоні активних зрушень наводиться для наступних умов. Глибина розробки вугільного пласта потужністю 1,5 м становила 800 м. Кут залягання пласта дорівнював 7°. На висоті 25 м від вугільного пласта залягав газоносний піс3 ковик з вмістом метану 22 м /т. Спочатку знайшли значення коефіцієнта   0,0028LN(15)  0,0008  0,00208 . , Визначили довжину полярного радіуса проекції устя дегазаційної свердловини 1 в горизонтальній площині XOY :   0,00208(e(2 / 180 )  4828,5) . Визначили емпіричний коефіцієнт b  ln(15 / 0,485) / 0,103  10,97м . Розрахували ко, ординати проекції дегазаційної свердловини у вертикальній площині, що перетинає устя дегазаційної свердловини і орієнтованої уздовж осі підготовчої виробки за формулою Z  10,97 * LN(0,4 * (Y  3))  1. Розрахунки виконували з кроком 0,5 м до тих пір, поки координата Z стане більшою за висоту розташування газоносного пісковику (таблиця 1). В даному випадку дегазаційна свердловина досягає газоносного пісковику при координаті Y=24m. Потім координати X, Y проекції дегазаційної свердловини 1 в горизонтальній площині XOY визначили згідно з наступними залежностями: X   cos()  4,56, Y   sin()  8,95, де  - полярний радіус, який визначається згі( 2) дно з залежністю   0,00208e , м . При цьому  змінюють, починаючи з 4,24 радіана через 5°, доки Y є меншим за 24 м. В таблиці 2 наведені координати всіх проекцій дегазаційної свердловини. На фіг. 2 наведена в позиції 11 проекція дегазаційної свердловини на горизонтальну площину, а на фіг. 3 позицією 12 - проекція дегазаційної свердловини на вертикальну площину, що є паралельною до осі підготовчої виробки. Свердловину бурили станком з дистанційним управлінням напрямку буріння (на кресленнях не вказаний). Напрямок буріння змінювали на основі розрахованих координат проекцій свердловини (дивись таблиці 1 і 2). Після закінчення буріння в устя дегазаційної свердловини встановили обсадну трубу, гермети 7 95539 8 зували свердловину, підключили її до вакуумної системи і каптували метан. Сумарна довжина дегазаційної свердловини становить 46 м, що тільки на 9 м перевищує довжину прямої діагоналі, яка з'єднує устя з вибоєм свердловини. Завдяки викривленню за законом логарифмічної спіралі свердловина досягає газоносного пісковику оптимальним шляхом, оминувши зони максимальних проявів гірського тиску, що забезпечує стійкість свердловини і як наслідок підвищує на 25-30 % ефективність дегазації. 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 Таблиця 1 Y, м 0 1 2 3 4 Z, м 1,0 4,2 6,6 8,6 10,3 11,8 13,1 14,2 15,3 16,2 17,1 17,9 18,7 19,4 20,0 20,7 21,2 21,8 22,9 23,3 23,8 24,3 24,7 25,1 Таблиця 2 Х, м 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,9 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0 3,3 Y, м 0,0 0,4 0,8 1,2 1,7 2,1 2,6 3,1 3,6 4,1 4,7 5,2 5,8 6,4 7,0 7,6 8,3 9,0 9,6 10,4 11,1 11,8 12,6 13,4 14,2 Z, м 0,0 2,4 3,6 4,8 5,9 6,9 7,9 8,8 9,7 10,5 11,3 12,1 12,8 13,5 14,2 14,9 15,5 16,2 16,8 17,4 18,0 18,5 19,1 19,6 20,2 Х, м 3,7 4,6 5,0 5,5 6,1 6,6 7,2 7,9 8,6 9,3 Y, m 15,1 15,9 16,8 17,7 18,7 19,6 20,6 21,6 22,7 23,7 24,8 Z, м 20,7 21,2 21,7 22,2 22,7 23,2 23,6 24,1 24,5 25,0 25,4 9 95539 10 11 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 95539 Підписне 12 Тираж 23 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