Спосіб охорони підготовчих виробок, пройдених по пласту

Реферат: Спосіб охорони підготовчих виробок, пройдених по пласту, що включає зведення охоронного спорудження слідом за лавою, буріння свердловин та їхнє заряджання невибуховим руйнуючим засобом. Свердловини бурять двома групами віялом з підготовчої виробки поза зоною випереджаючого опорного тиску, змінного напрямку, що складаються з похилої й горизонтальної ділянок. Виконують заряджання горизонтальної ділянки свердловин невибуховим руйнуючим засобом, а гирлову частину герметизують. Відстань між свердловинами першої групи та відстань між свердловинами другої групи визначають із залежностей. В результаті створюється примусове обвалення порід основної покрівлі над охоронним спорудженням, що викликає зняття підвищених напруг з контуру виробки, що охороняється, й сприяє підвищенню її стійкості в умовах високої метаноносності порід і викидонебезпечності. UA 105055 C2 (12) UA 105055 C2 UA 105055 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до гірничої справи, а саме до способів охорони пластових підготовчих гірничих виробок, заснованих на розвантаженні приконтурного масиву від підвищених напруг, і може бути використаний при забезпеченні стійкості виробок. Відомий спосіб охорони підготовчої виробки шляхом розвантаження порід покрівлі від напруг за допомогою заряджання й підривання свердловин, розташованих віялом, пробурених у вертикальній площині, розташованій уздовж осі виробки (SU 983273 А1; 23.12.1982). Відомий також спосіб охорони пройденої по пласту підготовчої виробки (SU 1493789 А1; 15.07.1989), що полягає в бурінні вгору розвантажувальних свердловин до перетинання із важкообвалюваними шарами порід, розміщенні свердловинних зарядів на ділянках перетинання із шарами важкообвалюваних порід і їхнє підривання. Відомий також спосіб охорони пройденої по пласту підготовчої виробки (UA 55706 А; 15.04.2003), що включає буріння вгору розвантажувальних свердловин по лінії, яка отримана від перетинання площини, розташованої під кутом до шару, рівним куту обвалення порід покрівлі із площиною основної природної тріщинуватості, до перетинання із важкообвалюваними шарами порід, розміщення свердловинних зарядів на ділянках перетинання із шарами важкообвалюваних порід і їхнє підривання. Підривання розвантажувальних свердловинних зарядів у відомих способах відбувається до підходу очисного вибою, чим забезпечується попереднє розукріплення порід основної покрівлі й зниження їхньої міцності, однак реалізація цих способів вимагає застосування зарядів ВВ великих обсягів (до 300 кг), підривання яких відбувається в породах, що перебувають в умовах близьких до тривісного стиску, це зумовлює невелику зону впливу вибуху, тобто енергія вибуху використовується неефективно. Крім того, застосування зазначених способів в умовах високої метаноносності порід і викидонебезпечності шарів вугілля й пісковиків неможливо. Найбільш близьким по технічній суті є спосіб охорони підготовчої виробки (RU 2304219 С1; 10.08.2007), що включає зведення охоронного спорудження, буріння свердловин у безпосередній покрівлі, заряджання їх невибуховим руйнуючим засобом НРС-1, причому відстань між зарядами визначається з отриманої аналітичним шляхом формули. При реалізації способу згідно з найближчим аналогом породи покрівлі в місці буріння вже розбиті системою техногенних тріщин і при бурінні спостерігається затиск бурового інструмента, що знижує продуктивність бурових робіт, буріння свердловин у покрівлю шару проводиться з робочого простору лави за охоронним спорудженням, що досить важко реалізувати при розробці тонких шарів через стиснутий робочий простір, крім того, підвищується трудомісткість робіт з буріння, це призводить до високих витрат на бурові роботи. При реалізації способу найближчого аналога не визначена орієнтація осі свердловин, тобто не враховуються гірничо-геологічні умови й природні геомеханічні деформаційні процеси, які відбуваються в покрівлі, що руйнується, це не забезпечує стійкість гірничої виробки, що охороняється. Заряджання свердловин НРС по всій довжині й відсутність їхньої герметизації не дозволяє запобігти мимовільному викиду НРС зі свердловин у процесі гідратації, що знижує продуктивність руйнування зависаючих порід покрівлі і сприяє зниженню стійкості виробки, що охороняється. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення способу охорони підготовчих виробок пройдених по пласту, у якому за рахунок раціональних параметрів свердловин і їх заряджання НРС у зоні природних розтягуючих напруг, досягаєтьсяобвалення порід основної покрівлі над охоронним спорудженням, що дозволяє підвищити стійкість гірничої виробки, що охороняється в умовах високої метаноносності порід і викидонебезпечності шарів, при скороченні витрат на буріння. Поставлена задача вирішується тим, що в способі охорони підготовчих виробок, пройдених по пласту, що включає зведення охоронного спорудження слідом за лавою, буріння свердловин, їхнє заряджання невибуховим руйнуючим засобом, згідно з винаходом, буріння свердловин виконують двома групами віялом з підготовчої виробки поза зоною випереджаючого опорного тиску, свердловини споруджують змінного напрямку, що складаються з похилої й горизонтальної ділянок, при цьому свердловини орієнтують так, щоб поздовжні осі горизонтальної ділянки свердловин апроксимували поздовжню вісь виробки, при цьому поздовжні осі горизонтальної ділянки першої групи свердловин перебувають вище нейтральної осі зависаючого шару на лінії, проведеній в напрямку зависаючої породної консолі під кутом 1530 градусів до нормалі до нашарування, проведеної із центра мас охоронного спорудження, а поздовжні осі горизонтальної ділянки другої групи свердловин лежать у площині верхньої межі шару покрівлі, що руйнується з боку зависаючої консолі, після чого виконують заряджання 1 UA 105055 C2 горизонтальної ділянки свердловин невибуховим руйнуючим засобом, а гирлову частину герметизують, при цьому відстань між свердловинами першої групи визначають із залежності 2 5 2 pRp p , де Рр - тиск, що розвиває НРС у свердловині, МПа; Rp - радіус свердловини для заряду НРС, м; p - межа міцності порід на одноосьове розтягання, МПа; а відстань між свердловинами другої групи визначають із залежності: b 10 15 20 25 30 35 40 45 50 2 2 p    Rp   2   C   1 1  2  C  де ЕМ - модуль пружності породи, МПа ЕНРС - модуль пружності НРС, МПа; К1 - коефіцієнт інтенсивності напруг;  C - коефіцієнт Пуассона НРС. Буріння свердловин з підготовчої виробки не викликає технологічних труднощів і обмежень по застосуванню бурового устаткування, що дозволить підвищити швидкість буріння, знизити його трудомісткість і, відповідно, витрати на буріння. Буріння свердловин поза зоною впливу очисних робіт дозволяє мінімізувати випадки затиску бурового інструмента й скоротити кількість аварійних ситуацій при бурінні, що дозволяє скоротити витрати на бурові роботи. Спорудження свердловин змінного напрямку, що складаються з похилої й горизонтальної ділянок, таким чином, щоб поздовжні осі горизонтальної ділянки свердловин апроксимували поздовжню вісь виробки й буріння їх віялом дозволяє скоротити обсяг бурових робіт за рахунок скорочення довжини неефективної частини свердловин, що дозволяє зменшити витрати на буріння. Орієнтування свердловин таким чином, щоб поздовжні осі горизонтальної ділянки першої групи свердловин перебували вище нейтральної осі зависаючого шару на лінії, проведеній в напрямку зависаючої консолі під кутом 15-30 градусів до нормалі до нашарування проведеної із центра мас охоронного спорудження, а поздовжні осі горизонтальної ділянки другої групи свердловин лежали в площині верхньої межі покрівлі, що руйнується з боку зависаючої консолі й заряджання горизонтальної частини свердловин НРС дозволяє створити додаткові розтягуючі напруги у зоні утворення природних розтягуючих напруг вище нейтральної осі зависаючої консолі, що вигинається, це дає можливість мінімальними зусиллями з урахуванням природних геомеханічних деформаційних процесів створити спрямоване обвалення порід основної покрівлі над охоронним спорудженням, і, таким чином, створити розвантаження виробки, що охороняється від підвищених напруг і підвищити її стійкість. При розташуванні свердловин першої групи на лінії проведеній в напрямку зависаючої консолі під кутом менше 15 градусів до нормалі до нашарування, проведеної із центра мас охоронного спорудження нижня частина зарядів НРС попадає в зону стискаючих напруг у породах зависаючої консолі, що не дозволяє забезпечити руйнування порід покрівлі по необхідній лінії, не гарантує обвалення зависаючої породної консолі над охоронним спорудженням і приводить до зниження стійкості виробки, що охороняється. При розташуванні свердловин першої групи на лінії, проведеній в напрямку зависаючої консолі під кутом більше 30 градусів до нормалі до нашарування, проведеної із центра мас охоронного спорудження верхня частина зарядів НРС у свердловинах попадає в зону стискаючих напруг у породах зависаючої консолі, що не дозволяє забезпечити руйнування порід покрівлі по необхідній лінії, крім того, збільшується довжина зависаючої у виробленому просторі консолі й відповідно вага порід покрівлі, що формують тиск на охоронне спорудження, це приводить до зниження стійкості виробки, що охороняється. Герметизація гирлової частини свердловин сприяє запобіганню мимовільного викиду НРС у процесі його гідратації, що збільшує надійність руйнування порід зависаючої консолі й підвищує стійкість виробки. Буріння свердловин першої групи на відстані більше а, а другої групи більше b, не дозволяє створити зростаючу магістральну тріщину в породах покрівлі в необхідному напрямку, що не забезпечує обвалення зависаючої породної консолі над охоронним спорудженням і приводить до зниження стійкості виробки, що охороняється. 2 UA 105055 C2 5 10 15 Суть способу пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 показаний план лави, на Фіг. 2 поперечний переріз по охоронному спорудженню. На фігурах: підготовча виробка, що охороняється - 1, свердловини - 2, похила частина свердловини - 3, горизонтальна частина свердловини - 4, свердловини першої групи - 5, зависаюча покрівля - 6, охоронне спорудження - 7, свердловини другої групи - 8, невибуховий руйнуючий засіб - 9. Спосіб, що заявляється, здійснювався наступним чином. Поза зоною впливу очисних робіт з підготовчої виробки 1, пройденої по пласту вугілля, споруджують свердловини 2 змінного напрямку, які складаються з похилої 3 і горизонтальної 4 ділянок. Свердловини бурять двома групами віялом. При цьому свердловини 2 орієнтують таким чином, щоб поздовжні осі горизонтальної ділянки 4 свердловин 2 апроксимували поздовжню вісь виробки 1, при цьому поздовжні осі горизонтальної ділянки першої групи 5 свердловин 2 перебувають вище нейтральної осі зависаючого шару покрівлі 6 на лінії, проведеній в напрямку зависаючої породної консолі під кутом 15-30 градусів до нормалі до нашарування, проведеній із центра мас охоронного спорудження 7, а поздовжні осі горизонтальної ділянки другої групи 8 свердловин 2 лежать у площині верхньої межі покрівлі 6, що руйнується з боку зависаючої консолі. При цьому відстань між свердловинами першої групи 5 визначають із залежності 2 20 2 PpRp p , де Рр - тиск, що розвиває НРС у свердловині, МПа; Rp - радіус свердловини для заряду НРС, м; p - межа міцності порід на одноосьове розтягання, МПа; а відстань між свердловинами другої групи визначають із залежності: b 25 30 35 40 45 50 2 2 Pp    RpЕМ 2 EHPC  K1 1  2HPC  де ЕМ - модуль пружності породи, МПа ЕНРС - модуль пружності НРС, МПа; К1 - коефіцієнт інтенсивності напруг;  C - коефіцієнт Пуассона НРС. Після буріння виконують заряджання невибуховим руйнуючим засобом 9 горизонтальної ділянки 4, а гирлову частину свердловин 2 герметизують. У процесі протікання реакції гідратації невибуховий руйнуючий засіб 9 збільшується в об'ємі і натискає на стінки свердловин 2. При цьому в зоні природних розтягуючих напруг вище нейтральної осі зависаючої консолі основної покрівлі 6 додаються розтягуючі напруги від саморозширення НРС 9, що приводить до росту магістральної тріщини між осями свердловин 2, розвиток тріщини приводить до обвалення зависаючої консолі над охоронним спорудженням 7, у такий спосіб відбувається розвантаження виробки 1, що охороняється від підвищених напруг це дозволяє підвищити її стійкість. Приклад реалізації способу. Спосіб був реалізований при відпрацьовуванні вугільного пласту потужністю 1,65м лавою по простяганню, на глибині 1050м механізованим комплексом ЗМКД-90. Породи основної покрівлі були представлені пісковиком дрібнозернистим потужністю 6м з межею міцності на одноосьовий стиск 70МПа. Породи безпосередньої покрівлі піщаним сланцем, потужністю їм з міцністю на одноосьовий стиск 40 МПа. З конвеєрного штрека, пройденого по пласту вугілля, поза зоною впливу очисних робіт за 230 м до підходу лави бурили свердловини діаметром 76 мм змінного напрямку, що складаються з похилої й горизонтальної ділянок. Свердловини бурили групами віялом. При цьому свердловини орієнтували таким чином, щоб поздовжні осі горизонтальної ділянки свердловин апроксимували поздовжню вісь конвеєрного штрека. Довжина свердловин становила 200 м. Поздовжні осі горизонтальної ділянки першої групи свердловин перебували вище нейтральної осі зависаючого шару покрівлі на лінії, проведеній в напрямку зависаючої консолі під кутом 25 градусів до нормалі до нашарування, проведеної із центра мас охоронного спорудження. Поздовжні осі горизонтальної ділянки другої групи свердловин лежали в площині верхньої межі шару покрівлі, що руйнується, на відстані 7 м від покрівлі вугільного пласта з боку зависаючої консолі. Відстань між свердловинами першої групи розраховували по залежності 2 2 pRp p 2 50  0,0382  0,21м, 7 3 UA 105055 C2 і прийняли 200 мм. А відстань між свердловинами другої групи визначали по залежності b 5 10 15 2 2 p    Rp   2   C   1 1  2  C   50 2  3,14  0,0382  2  104 6  103  12 1  2  0,25  18,8 м, прийняли 10 м. Після буріння свердловин їхні горизонтальні частини заряджали невибуховим руйнуючим засобом, за який використовували склад, що містив наступні компоненти, мас. %: кальцинована сода - 3,0-9,0; сульфітно-дріжджова барда (СДБ) - 0,5-3,0; гумат натрію - 1-6; негашене вапно інше, а гирлову частину свердловин герметизували швидкотвердіючим розчином на основі фосфогіпсу. У процесі протікання реакції гідратації невибуховий руйнуючий засіб, збільшувався в обсязі і натискав на стінки свердловин. При цьому в зоні природних розтягуючих напруг вище нейтральної осі зависаючої консолі основної покрівлі додавалися розтягуючі напруги, від саморозширення НРС, що приводило до росту магістральної тріщини між свердловинами. Ріст тріщини привів до обвалення зависаючої консолі над охоронним спорудженням. У такий спосіб відбулося розвантаження виробки, що охороняється від підвищених напруг, що дозволило підвищити її стійкість, і привело до зменшення зсувів в конвеєрному штреку, що охоронявся за очисним вибоєм на 30 %. Реалізація пропонованого способу охорони підготовчих виробок, пройдених по пласту дозволяє створити примусове обвалення порід основної покрівлі над охоронним спорудженням, що викликає зняття підвищених напруг з контуру виробки, що охороняється й сприяє підвищенню її стійкості в умовах високої метаноносності порід і викидонебезпечності пластів, при скороченні витрат на буріння. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 Спосіб охорони підготовчих виробок, пройдених по пласту, що включає зведення охоронного спорудження слідом за лавою, буріння свердловин, їхнє заряджання невибуховим руйнуючим засобом, який відрізняється тим, що буріння свердловин виконують двома групами віялом з підготовчої виробки поза зоною випереджаючого опорного тиску, свердловини споруджують змінного напрямку, що складаються з похилої й горизонтальної ділянок, при цьому свердловини орієнтують так, щоб поздовжні осі горизонтальної ділянки свердловин апроксимували поздовжню вісь виробки, при цьому поздовжні осі горизонтальної ділянки першої групи свердловин перебувають вище нейтральної осі зависаючого шару на лінії, проведеній в напрямку зависаючої породної консолі під кутом 15-30 градусів до нормалі до нашарування, проведеної із центра мас охоронного спорудження, а поздовжні осі горизонтальної ділянки другої групи свердловин лежать у площині верхньої межі шару покрівлі, що руйнується з боку зависаючої консолі, після чого виконують заряджання горизонтальної ділянки свердловин невибуховим руйнуючим засобом, а гирлову частину герметизують, при цьому відстань між свердловинами першої групи визначають із залежності 2 2 PpRp p , де Pp - тиск, що розвиває НРС у свердловині, МПа; 40 Rр - радіус свердловини для заряду НРС, м; p - межа міцності порід на одноосьове розтягання, МПа; а відстань між свердловинами другої групи визначають із залежності b 45 2 2 Pp    RpЕМ 2 EHPC  K1 1  2HPC  , де ΕМ - модуль пружності породи, МПа ЕНРС - модуль пружності НРС, МПа; К1 - коефіцієнт інтенсивності напруг; HPC - коефіцієнт Пуассона HPC . 4 UA 105055 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко 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 5