Спосіб управління станом вуглепородного масиву

Реферат: Спосіб управління станом вуглепородного масиву включає буріння свердловин і нагнітання в них розчинів. Перед нагнітанням у свердловині розміщують коаксіальний електрод для здійснення високовольтних імпульсних розрядів, потім вставляють герметизатор так, щоб електрод розташовувався в середній частині між забоєм свердловини і герметизатором, а нагнітання розчинів у свердловину чергують з серією імпульсної дії на них, причому параметри дії вибирають, виходячи з міцнісних властивостей гірських порід і фізико-хімічних властивостей розчинів, які нагнітаються. UA 97444 U (54) СПОСІБ УПРАВЛІННЯ СТАНОМ ВУГЛЕПОРОДНОГО МАСИВУ UA 97444 U UA 97444 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до гірської промисловості і може бути використана для забезпечення безпеки ведення гірських робіт при розробці викидонебезпечних вугільних пластів. Відомий спосіб запобігання динамічних явищ в порушених породах при розробці корисних копалин, що включає буріння свердловин до перетину небезпечної зони, відбір і аналіз керна, установку пакерів, нагнітання в масив антифрикційного розчину для управління умовами тертя по контакту берегів тріщин в небезпечній зоні [1]. Відомий спосіб боротьби з гірськими ударами, що включає визначення вектора дії максимальної напруги, нагнітання у свердловини води, поверхнево-активних речовин і смол з одночасною вібродією на масив у вказаному напрямі на першому етапі з частотою 60-1500 Гц, а на другому - 60-400 Гц [1]. Проте цей спосіб недостатньо ефективний, оскільки необхідно бурити додаткові свердловини для вібродії, що здорожує вартість робіт, а сама дія здійснюється не на розчини, що нагнітаються, а на масив, що утрудняє їх проникнення у тріщинно-поровий простір. Це зрештою призводить до недостатньої ефективності цього способу для боротьби з гірськими ударами. Відомий спосіб відвертання викидів вугілля і газу та гірських ударів, який включає буріння свердловин і нагнітання в них розчинів в два етапи, при цьому на першому етапі у свердловини нагнітають 20-50 %-ий розчин лігносульфонату, а потім вапняну суспензію, що містить не менше 20 мас. % гідрату окислу кальцію [2]. Цей спосіб не дозволяє в повному обсязі провести обробку масиву за рахунок підвищення в'язкості використовуваних розчинів, особливо в низкопроникливих колекторах, при цьому потрібно буріння додаткових свердловин, що істотно здорожує вартість реалізації цього способу. Відомий спосіб стимулювання нафтових і газових свердловин, який включає буріння свердловини, здійснення високовольтного імпульсного розряду в ній на рівні пласта, з якого планується добувати корисну копалину [3]. Реалізація цього способу підвищує проникність колектора для здобичі корисної копалини шляхом зниження кольматації тріщин і пір, але не дозволяє в широкому спектрі управляти станом вуглепородного масиву шляхом його зміцнення або пластифікації. Найбільш близьким аналогом корисної моделі, що заявляється, є спосіб зміцнення гірських порід, який включає розміщення навколо виробки у свердловинах невибухових пневматичних джерел коливань, осі яких орієнтують паралельно напряму головних максимальних напружень. Свердловини розташовують на відстані 3-5 довжин хвиль основної частоти, що випромінюється в масив. Свердловини заповнюють пружно-пластичним матеріалом. Діють на масив спочатку частотою 60-1500 Гц, а потім частотою власних коливань масиву. Амплітуду збільшують до величини, при якій напруження в масиві досягають половини від тих, що руйнують. Досягнувши цього рівня, через ряд шпурів нагнітають в масив розчин, що скріплює [4]. Цей винахід не може повною мірою вирішити поставлену задачу управління станом вуглепородного масиву з наступних причин: - для розміщення невибухових пневматичних джерел коливань необхідно бурити свердловини великого діаметра (500-700 мм), що є високовитратним з економічної точки зору; - високочастотні пневматичні джерела коливань не дозволяють розвивати такі питомі зусилля, які можуть бути при високовольтній імпульсній дії; - визначення частоти власних коливань масиву часто дуже важко в умовах шахти; - при закачуванні як пружно-в'язке тіло використовуються металева тирса і кварцовий пісок, що значно знижує зносостійкість насосного устаткування. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення способу управління станом вуглепородного масиву, в якому нагнітання розчинів у свердловину чергують з серією імпульсних дій на них, чим забезпечується підвищення ефективності управління станом масиву, підтримка і забезпечення необхідного рівня безпеки ведення очисних і підготовчих робіт при видобутку вугілля. Поставлена задача вирішується тим, що в способі управління станом вуглепородного масиву, який включає заповнення свердловин пружно-пластичним матеріалом, дію на масив спочатку частотою 60-1500 Гц, а потім частотою власних коливань масиву, збільшення амплітуди до величини, при якій напруження в масиві досягають половини від тих, що руйнують, і нагнітання в масив через ряд шпур скріплюючого розчину, згідно з корисною моделлю, перед нагнітанням у свердловині розміщують коаксіальний електрод для здійснення високовольтних імпульсних розрядів, потім вставляють герметизатор, так, щоб електрод розташовувався в середній частині між забоєм свердловини і герметизатором, а нагнітання розчинів у 1 UA 97444 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 свердловину чергують з серією імпульсній дії на них, причому параметри дії вибирають, виходячи з фізико-хімічних властивостей розчинів, які нагнітають, і міцнісних властивостей гірських порід. Розміщення коаксіального електрода для здійснення високовольтних імпульсних розрядів у свердловині дозволяє максимально наблизити джерело імпульсної дії до зони обробки. Розміщення герметизатора так, щоб електрод розташовувався в середній частині між забоєм свердловини і герметизатором, запобігає витіканню розчинів зі свердловини при підвищенні в ній тиску в результаті здійснення електричних розрядів в рідині. Чергування нагнітання розчинів у свердловину з серією імпульсних дій на них найкращим способом сприяє проникненню розчинів в тріщинувато-пористу структуру масиву. Вибір параметрів дії, виходячи з властивостей міцності гірських порід і фізико-хімічних властивостей розчинів, що нагнітаються, дозволяє управляти динамікою проникнення розчинів углиб масиву. Циклічне нагнітання зміцнюючих розчинів тривалістю не більше 20 хвилин із зупинкою для проведення в них серій високовольтних імпульсних розрядів тривалістю не більше 5 хвилин дозволяє зміцнювати гірські породи в масиві. Циклічне нагнітання пластифікуючих розчинів тривалістю не більше 30 хвилин, із зупинкою для проведення в них серій високовольтних імпульсних розрядів тривалістю не більше 10 хвилин, дозволяє запобігати динамічним явищам в масиві. Таким чином, за рахунок названих ознак досягається підвищення надійності управління станом масиву при вилученні корисних копалин шляхом заповнення тріщинувато-пористої вуглепородної маси розчинами, які зміцнюють або пластифікують, і створення тим самим в масиві впорядкованої структури для запобігання викидонебезпечної ситуації. В результаті імпульсних електричних розрядів по свердловині поширюються ударні хвилі, які викликають примусову фільтрацію углиб масиву флюїдів - рідин і газів, що містяться в порах і тріщинах гірських порід. Крім того, пульсації парогазової порожнини, що утворилася від плазмового каналу при розряді, сприяють розкриттю пор і утворенню нових тріщин в масиві, що призводить до більш рівномірного їх заповнення і глибшого проникнення фізико-хімічних розчинів, що нагнітаються під високим тиском, а значить і значного збільшення радіусу дії нагнітальних свердловин. Процес чергування нагнітання з електророзрядною дією викликає в гірському масиві відносне переміщення структурних елементів, перерозподіл напружень і зменшення динаміки гірського тиску [5]. Зміну стану масиву контролюють геомеханічними і геофізичними методами досліджень (тензометричними вимірами, електромагнітною емісією, ультразвуковим, сейсмоакустичним і іншими методами). Після закінчення обробки однієї свердловини устаткування демонтують і переміщують на наступну і процес повторюють. Переваги пропонованого способу полягають в тому, що управління станом масиву в зонах впливу свердловин дозволяє здійснити перерозподіл напружень, звести до мінімуму вірогідність прояву динамічних навантажень, раптових викидів вугілля, породи і газу, звести поле існуючих напружень до рівномірного, привести масив в неударобезпечний стан, збільшити однорідність обробленої частини масиву за рахунок більш повного і більш глибокого заповнення пор і тріщин порід шляхом збільшення проникності гірських порід в період нагнітання в них фізико-хімічних розчинів. Використання способу дозволить значно збільшити проникність гірських порід і підвищити ефективність управління станом масиву за рахунок глибшого проникнення розчинів, які зміцнюють або пластифікують, в зони обробки в порівнянні з наявними способами. Виконують спосіб таким чином. При проходці підготовчих виробок або видобутку вугілля в масиві визначають зони, що потребують зміцнення або зони з підвищеною сейсмоакустичною активністю. У ці зони (див. креслення) перпендикулярно осі виробки 1 на відстані одна від одної 10-20 м бурять серію свердловин 2 діаметром 50-80 мм, глибиною 4-8 м. Довжина свердловин і відстань між ними встановлюються відповідно до величини тиску нагнітання, що забезпечується потужністю насосної установки 3, щільністю і в'язкістю розчину, що нагнітається, а також відповідно до протяжності зони гранично напруженого стану, і не повинні перевищувати межі зони підвищених напружень, що оцінюється по виходу штибу або сейсмоакустичної активності масиву. Максимальний діаметр свердловини 2 і її глибина визначаються також, виходячи з умов можливості розміщення в ній коаксіального електрода 4 на високовольтному кабелі, підключеному до генератора імпульсів струму 5, і герметизатора 6, сполученого з насосною установкою 3 для нагнітання фізико-хімічних розчинів. 2 UA 97444 U 5 10 15 20 25 30 35 У пробурену свердловину 2 вводиться коаксіальний електрод 4 для здійснення високовольтних електричних розрядів так, щоб зона міжелектродного проміжку розташовувалася приблизно посередині між забоєм свердловини і торцем розміщуваного в ній герметизатора 6. Після герметизації у свердловину з ємності 7 нагнітають розчини з різними фізико-хімічними властивостями залежно від поставлених цілей. Якщо необхідно зміцнювати гірські породи в масиві, то нагнітають зміцнюючі розчини, якщо ж необхідно запобігати динамічним явищам в масиві, то - пластифікуючі. Нагнітання чергують з електророзрядною дією. Так, зміцнюючі розчини нагнітають тривалістю не більше 20 хвилин, після чого у свердловині проводять серію високовольтних імпульсних розрядів тривалістю не більше 5 хвилин. Для запобігання динамічним явищам нагнітають пластифікуючі розчини не більше 30 хвилин, після чого у свердловині проводять серію високовольтних імпульсних розрядів тривалістю не більше 10 хвилин. Час нагнітання і електророзрядної дії залежить від міри тріщинуватості, пористості, обводненості масиву, геомеханічних умов залягання гірських порід. При електророзрядній дії відключають насосну установку і підключають генератор імпульсних струмів. Режимні параметри електричного розряду вибирають, виходячи з фізикомеханічних властивостей гірських порід, що залягають навколо свердловини. При міцніших породах, коли необхідно отримати імпульси високої амплітуди, збільшують напругу заряду конденсаторів, а при більш в'язких породах, коли необхідно отримати імпульси більшої тривалості, збільшують місткість заряду конденсаторів. Джерела інформації: 1. Пат. 2000440 Рос. федерации, E21F 5/00. Способ борьбы с горными ударами / Бакулин А.В., Бакулин В.Н. - № 4711403/03; заявл. 29.06.1989; опубл. 07.09.1993, Бюл. № 33-36. 2. А.с. 1222851 SU, E21F 5/00. Способ предотвращения выбросов угля и газа и горных ударов: Ин-т геотехн. мех. АН УССР / Потураев В.Н, Забигайло В.Е., Репка В.В., Рыжов Г.А. - № 3625006/22-03; заявл. 04.05.1983; опубл. 07.04.1986, Бюл. № 13. 3. Пат. 4039030 США, Е21В 43/26. Oil and gas well stimulation / C.S. Godfrey, E.T. Moore, D.M. Mumraa // Physics International Company. - Опубл. 02.08.77. 4. A.c. 1696731 SU, E21F 5/00. Способ упрочнения горных пород / Бакулин А.В. - № 4703140, заявл. 28.04.1989; опубл. 07.12.1991, Бюл. № 45. (аналог). 5. Использование волнового и ротационного подходов для интерпретации динамических явлений в шахтах / А.Ф. Булат, С.Ю. Макеев, С.Ю. Андреев, Г.А. Рыжов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. трудов / Ин-т геотехнической механики им. Н.С Полякова НАН Украины. - Днепропетровск, 2012. - Вып. 107. - С. 12-18. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 1. Спосіб управління станом вуглепородного масиву, який полягає у бурінні свердловин і нагнітанні в них розчинів, який відрізняється тим, що перед нагнітанням у свердловині розміщують коаксіальний електрод для здійснення високовольтних імпульсних розрядів, потім вставляють герметизатор так, щоб електрод розташовувався в середній частині між забоєм свердловини і герметизатором, а нагнітання розчинів у свердловину чергують з серією імпульсної дії на них, причому параметри дії вибирають, виходячи з міцнісних властивостей гірських порід і фізико-хімічних властивостей розчинів, які нагнітаються. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що у свердловину роблять циклічне нагнітання зміцнюючих розчинів тривалістю не більше 20 хвилин, із зупинкою для проведення в них серій високовольтних імпульсних розрядів тривалістю не більше 5 хвилин. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що у свердловину роблять циклічне нагнітання пластифікуючих розчинів тривалістю не більше 30 хвилин, із зупинкою для проведення в них серій високовольтних імпульсних розрядів тривалістю не більше 10 хвилин. 3 UA 97444 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4