Спосіб прогнозування небезпеки газодинамічних явищ у масиві гірських порід та пристрій для його здійснення

1. Спосіб прогнозування небезпеки газодинамічних явищ у масиві гірських порід, що включає обертальне буріння розвідувальних свердловин у масиві гірських порід, роздільне вимірювання кількості газу й штибу, що виділяються зі свердловини при бурінні, оцінювання глибини свердловини, побудову профілів кількості газу й штибу залежно від глибини свердловини й часу, по яких визначають вид небезпеки газодинамічних явищ, який відрізняє ться тим, що буріння кожної розвідувальної свердловини здійснюють із попередньою герметизацією її устя, вимірювання кількості газу й штибу проводять із герметизацією вимірювальних каналів безперервно й одночасно з бурінням свердловини при залишенні бурового постава в свердловині, при цьому оцінювання глибини свердловини ведуть шляхом безперервного вимірювання її поточної глибини, на профілях кількості газу й штибу залежно від глибини свердловини визначають середні значення й середньоквадратичні відхилення кількості газу й штибу, і на відрізках глибини свердловини, де питома кількість штибу більше середніх значень на величину средньоквадратичного відхилення, судять про наявність зон підвищеного гірського тиску на цих же відрізках глибини свердловини, а на відрізках глибини свердловини, де питома кількість газу більше середніх значень на величину середньоквадратичного відхилення, судять про наявність зон підвищеної газоносності на цих же відрізках глибини свердловини, інтегруванням профілю кількості газу залеж 2 (19) 1 3 83173 4 ком для відводу газу, розташована на зовнішній вини підключений до першого інформаційного бічній поверхні порожнистого корпусу й оснащена входу процесора блока керування й обчислення, розміщеним у ній лабіринтовим роздільником повимірник кількості штибу - до другого інформаційтоків газу й штибу, у якому вихід для потоку штибу ного входу процесора, інформаційний вихід вимірвзаємозв'язаний із установленим у ємності наконика кількості газу - до третього інформаційного пичувачем штибу, взаємозв'язаним з вимірником входу процесора, а вихід процесора підключений кількості штибу, а ви хід для потоку газу взаємодо індикатора залежностей кількості газу і штибу зв'язаний з патрубком для відводу газу, причому від глибини свердловини й від часу і сорбційної інформаційний вихід індикатора глибини свердлоздатності штибу. Винахід відноситься до гірничої промисловості й може бути використаний для прогнозування небезпеки газодинамічних явищ при веденні гірських робіт на викидонебезпечних і високогазоносних пластах, зокрема, призначено для контролю стану вугільних пластів методом буріння розвідувальних свердловин. Відомий спосіб вимірювання продукції свердловини, що включає поділ продукції свердловини на газову й рідку складові (водопородна суспензія), безперервне вимірювання витрати рідини й визначення її кількості, безперервне вимірювання витрати газу й визначення його кількості, об'єднання потоків газу й рідини й направлення його у вихідний трубопровід [RU, №2195552 СІ, кл. Ε21В47/10, G01F1/74, опубл.27.12.2002р.]. Відомий спосіб здійснюється пристроєм для вимірювання продукції свердловини, що містить відцентровий газовіддільник із вхідним трубопроводом і вихідними трубопроводами газу, рідини й продукції свердловини, витратоміри газу й рідини, що зв'язані з обчислювальним блоком, компресор відкачки газу з газовіддільника, при цьому газовіддільник постачений приводом його ротора або від електричного мотора зі змінною частотою обертання, або від гідрореактивного мотора, що постачений отворами із засобами для перерозподілу потоку рідини й зміни частоти обертання ротора [RU, №2195552 СІ, кл. Ε21В47/10, G01F1/74, опубл.27.12.2002p.]. Використання відомих способу й пристрою для його здійснення для прогнозування небезпеки газодинамічних явищ при веденні гірських робіт не забезпечує необхідної точності й досто вірності визначення зон, небезпечних по видах газодинамічних явищ через невисоку точність вимірювання кількості газової й рідкої складових (водопородної суспензії). Це викликано тим, що для доставки вимірюваних кількостей газу й штибу до вимірювальних пристроїв використовується промивна рідина, застосування якої ускладнює технологічну схему, вимагає її інтенсивного перемішування відцентровим газовіддільником для інтенсифікації процесу відділення газу й трудомістких операцій по добуванню штибу із промивної рідини, приводячи до похибок у процесі вимірювання кількості газу й штибу. Крім того, негативно позначається на точності вимірювання і та обставина, що ще до надходження кількостей газу й штибу у вимірювальні пристрої деяка, а для газу - значна, частина їх безповоротно губиться. Найбільш близьким аналогом заявляемого способу є спосіб визначення газодинамічних явищ у масиві гірських порід, що включає буріння розвідувальних свердловин у масиві гірських порід, вимірювання кількості газу й штибу, що виділяються зі свердловин при бурінні й початковій швидкості газовиділення по довжині свердловин, побудова профілів кількості газу й штибу залежно від глибини свердловини й часу, визначення виду небезпеки газодинамічних явищ по співвідношенню вимірюваних величин [SU, №740960, кл. Ε21F5/00, Ε21С39/00, опубл.15.06.1980р.]. Ознаки найближчого аналога, що збігаються з суттєвими ознаками пропонованого способу: обертальне буріння розвідувальних свердловин у масиві гірських порід; роздільне вимірювання кількості газу й штибу, що виділяються зі свердловин при бурінні; оцінювання глибини свердловини; побудова профілів кількості газу й штибу залежно від глибини свердловини й часу, по яких визначають вид небезпеки газодинамічних явищ. Відомий спосіб - найближчий аналог здійснюється пристроєм для визначення газодинамічних явищ у масиві гірських порід, що містить постачений фільтром вхідний трубопровід, газовіддільник, виконаний у вигляді циліндричної ємності з нижньою конусною частиною і взаємозв'язаний із засобом для тангенціального уведення продукції свердловини, виконаним у вигляді встановленого у верхній частині ємності сопла, яке виконане у вигляді патрубка, засіб для відводу газу, установлений коаксиально ємності й взаємозв'язаний з вимірниками витрати газу й рідини, датчик рівня рідини в газовіддільнику, вихідний трубопровід, блок управління й обчислення, при цьому частина патрубка, що розташована усередині ємності виконана перфорованою й постачена відбивачами, виконаними у вигляді звернених основою униз усічених конусів, нижче сопла для уведення продукції свердловини встановлений стрічковий шнек для підведення рідини до засобу її відводу, що установлений у конічній частині ємності, причому пристрій постачений насосом для відкачки рідини з ємності й ежектором для змішування газу з рідиною [RU, №2191262 СІ, кл. Ε21В47/10, G01F1/74, опубл.20.10.2002р.]. Ознаки найближчого аналога, що збігаються з суттєвими ознаками пропонованого пристрою: виконаний у вигляді ємності газовіддільник, взаємозв'язаний з засобом уведення продукції свердловини, постачений виконаним у вигляді патрубка засобом для відводу газу, взаємозв'язаним з вимі 5 83173 6 рником кількості газу, блок управління й обчисленсередньоквадратичні відхилення кількості газу й ня. штибу, і на відрізках глибини свердловини, де пиВідомі спосіб і пристрій для його здійснення не тома кількість штибу більше середніх значень на забезпечують досягнення необхідного технічного величину середньоквадратичного відхилення сурезультату по наступних причинах. дять про наявність зон підвищеного гірського тиску Відомі спосіб і пристрій не забезпечують висона цих же відрізках глибини свердловини, а на кої точності й достовірності визначення зон, невідрізках глибини свердловини, де питома кільбезпечних по видах газодинамічних явищ через кість газу більше середніх значень на величину неможливість контролю вимірюваних параметрів у середньоквадратичного відхилення судять про режимі реального часу. наявність зон підвищеної газоносності на цих же Це викликано тим, що реалізація відомого відрізках глибини свердловини, інтегруванням способу відомим пристроєм здійснюється по черзі профілю кількості газу залежно від глибини свердбурінням інтервалу свердловини й наступним виловини визначають середню газоносність штибу в міром кількості газу й штибу, які виділяються зі місці проведення розвідувальної свердловини, і у свердловини і відносяться до даного інтервалу. випадку, коли величина середньої газоносності Для цього потрібно переривати буріння для виміперевищує величину граничної газоносності, вирів, виймати буровий постав, вставляти в свердзначену за формулою: ловину засоби вимірів, герметизувати свердловиg=0,25×d2×l×p×r×G, ну разом із засобами вимірів, що приводить до де g - гранична газоносність, м 3/м; затримок часу, який залежить від психофізіологічd - діаметр свердловини, м; ного статусу виконавця робіт і його особистого l - поточна глибина свердловини, м; досвіду, а це не дозволяє здійснювати вимірюванG - гранична газоносність, м 3/кг; ня в режимі реального часу. r - щільність штибу, кг/м 3, Крім того, вимірювання кількості газу й штибу і при збігу зон підвищеного гірського тиску й здійснюють в умовах негерметизованого устя свепідвищеної газоносності судять про наявність зон, рдловини, яку бурять у масиві гірських порід, нанебезпечних по газодинамічним явищам, у яких приклад вугільному пласті, у результаті чого значвизначають сорбційну здатність штибу перериванна частина потоків штибу й газу губиться до ням буріння й визначенням поточної кількості винадходження у вимірювальні пристрої. При цьому діленого газу у часі апроксимацією кінетики газорезультат вимірювання залежить від неконтрольовиділення функцією виду: ваних складових процесу вимірювання: поточного Q=Q0×е хр-t/t , газодинамічного стану масиву - втрати газу тим де Q - поточна швидкість газовиділення, л/с; значніше, чим небезпечніша ситуація; технічного Q0 - початкова швидкість газовиділення, л/с; стану засобів вимірювання, не контрольованих t - поточний час, с; стандартними методиками, що також не забезпеt - постійна часу, с, чує високої точності й достовірності визначення і, при значеннях постійної часу менш 250с, ці зон, небезпечних по видах газодинамічних явищ. зони відносять до особливо небезпечних. В основу винаходу поставлене завдання вдосУ пропонованому пристрої для здійснення коналення способу прогнозування небезпеки газопропонованого способу визначення небезпеки динамічних явищ у масиві гірських порід і пригазодинамічних явищ у масиві гірських порід, що строю для його здійснення, у яких за рахунок містить виконаний у вигляді ємності газовіддільзабезпечення можливості контролю вимірюваних ник, взаємозв'язаний з засобом уведення продукції параметрів у режимі реального часу забезпечусвердловини, постачений виконаним у вигляді ється підвищення точності й достовірності визнапатрубка засобом для відводу газу, взаємозв'язачення зон, небезпечних по видах газодинамічних ним з вимірником кількості газу, блок управління й явищ. обчислення, згідно винаходу засіб уведення проПоставлена задача вирішується тим, що в дукції свердловини виконаний у вигляді порожньоспособі прогнозування небезпеки газодинамічних го корпуса із установленим на ньому індикатором явищ у масиві гірських порід, що включає обертаглибини свердловини, постаченого встановленим льне буріння розвідувальних свердловин у масиві в одному торці циліндричним наконечником з елагірських порід, роздільне вимірювання кількості стичною камерою, що о хоплює його с зовнішньої газу й штибу, що виділяються зі свердловини при сторони й закріпленої в іншому торці зовнішньою бурінні, оцінювання глибини свердловини, побудообоймою підшипника, на внутрішній обоймі якого ву профілів кількості газу й штибу залежно від глизакріплений газовий затвор, виконаний у вигляді бини свердловини й часу, по яких визначають вид набору еластичних почережних пластин з фасоннебезпеки газодинамічних явищ, згідно винаходу ними вирізами, співвісно зміщених відносно одна буріння кожної розвідувальної свердловини здійсодної з можливістю утворення каналу для подачі нюють із попередньою герметизацією її устя, вимібурового поставу в свердловину, при цьому ємрювання кількості газу й штибу проводять із герність, з розміщеним у її стінці патрубком для відметизацією вимірювальних каналів безперервно й воду газу, розташована на зовнішній бічній поверодночасно з бурінням свердловини при залишенні хні порожнього корпусу й постачена розміщеним у бурового постава в свердловині, при цьому оцінюній лабіринтовим роздільником потоків газу й штивання глибини свердловини ведуть шляхом безбу, у якому вихід для потоку штибу взаємозв'язаперервного вимірювання її поточної глибини, на ний із установленим у ємності накопичувачем профілях кількості газу й штибу залежно від глиштибу, взаємозв'язаного з вимірником кількості бини свердловини визначають середні значення й штибу, а ви хід для потоку газу взаємозв’язаний з 7 83173 8 патрубком для відводу газу, причому інформаційдинамічних явищ пласта, бурять коротку свердлоний вихід індикатора глибини свердловини підвину 20 діаметром, що перевищує діаметр ключений до першого інформаційного входу пропередбачуваної розвідувальної свердловини. цесора блоку управління й обчислення, вимірник У коротку свердловину 20 уводять циліндричкількості штибу - до др угого інформаційного входу ний наконечник 3 з еластичною камерою 4, що процесора, інформаційний вихід вимірника кількоохоплює його із зовнішньої сторони й нагнітають у сті газу - до третього інформаційного входу процекамеру 4 рідкий або газоподібний флюїд. При сора, а вихід процесора підключений до індикатоцьому здійснюють фіксацію пристрою в свердлора залежностей кількості газу і штибу від глибини вині 20 і одночасно досягають герметизацію устя свердловини й від часу і сорбційної здатності штисвердловини. Потім, через канал, утворений фабу. сонними вирізами еластичних пластин газового Суть пропонованих способу прогнозування затвора 8, уводять буровий постав 9 і приступають небезпеки газодинамічних явищ у масиві гірських до обертального буріння розвідувальної свердлопорід і пристрою для його здійснення пояснюються вини 21 у вугільному пласті. Фасонні вирізи в елакресленнями, де на Фіг.1 схематично показаний стичних пластинах дозволяють буровому поставу пристрій для прогнозування небезпеки газодина9 просуватися поступально відповідно до фактичмічних явищ у вугільному пласті; на Фіг.2 - профілі ної довжини свердловини. Величина поступальнокількості газу й штибу залежно від глибини свердго просування постава 9 контролюється індикатоловини; на Фіг.3 - профіль кількості газу залежно ром 2 глибини свердловини шляхом вимірювання від часу; на Фіг.4 -крива кінетики сорбційної здатпоточної глибини свердловини 21. При цьому обеності вугілля. ртовий рух газового затвора 8 здійснюється разом Пристрій для прогнозування небезпеки газоз поставом 9, тим самим створюється перешкода динамічних явищ у вугільному пласті містить засіб вільному виходу з порожнього корпуса 1 газу й уведення продукції свердловини, виконаний у виштибу, які направляються у вимірювальні канали, гляді порожнього корпуса 1 із установленим на ізольовані від атмосфери гірничої виробки при ньому індикатором 2 глибини свердловини. Порододатковій герметизації корпуса 1 шевронним жній корпус 1 постачений установленим в одному ущільненням 18. його торці циліндричним наконечником 3 з еластиШтиб, що утворюється при бурінні свердловичною камерою 4, що охоплює його із зовнішньої ни 20, транспортується поставом 9 у порожній косторони. В іншому торці корпуса 1 закріплена зоврпус 1 пристрою, а газ надходить туди під дією нішня обойма 5 підшипника 6, на внутрішній обойвласного тиску. З порожнього корпуса 1 штиб і газ мі 7 якого закріплений газовий затвор 8, виконаний надходять у лабіринтовий роздільник 11 потоків у вигляді набору еластичних почережних пластин газу й штибу, установленого в ємності 10. Через з фасонними вирізами, співвісно зміщених відносвихід для потоку штибу лабіринтового роздільника но одна одної із кроком спіралі Архімеда з можли11 штиб надходить у накопичувач 12, в якому безвістю утворення каналу для подачі бурового поперервно вимірюють вимірником 13 кількість штиставу 9 у свердловину. Порожній корпус 1 бу. Газ через вихід для потоку газу лабіринтового взаємозв'язаний з газовіддільником, виконаним у роздільника 11 і далі через патрубок 14 для відвовигляді ємності 10, розміщеної на його зовнішній ду газу надходить у вимірник 15 кількості газу, де бічній поверхні. У ємності 10 розміщений лабіринйого кількість безперервно вимірюють одночасно з товий роздільник 11 потоків газу й штибу, у якому вимірюванням кількості штибу й вимірюванням вихід для потоку штибу взаємозв'язаний із устанопоточної глибини свердловини. Оскільки вимірник вленим у ємності 10 накопичувачем 12, взаємо15 кількості газу практично не створює протитиску, зв'язаним з вимірником 13 кількості штибу. Ви хід тиск усередині порожнього корпуса 1 незначно для потоку газу лабіринтового роздільника 11 взаперевищує тиск атмосфери гірничої виробки, а ємозв'язаний з розміщеним у стінці ємності 10 паоскільки аеродинамічний опір шляхів витоку газу трубком 14 для відводу газу, взаємозв'язаного з через тріщини значно більше, ніж аеродинамічний вимірником 15 кількості газу. Інформаційний вихід опір вимірника 15 кількості газу, це забезпечує індикатора 2 глибини свердловини підключений до високу точність вимірювання кількості газу. Репершого інформаційного входу процесора 16, визультати вимірювання від індикатора 2 глибини мірник 13 кількості штибу - до другого інформаційсвердловини, від вимірника 13 кількості штибу й ного входу процесора 16, інформаційний вихід вимірника 15 кількості газу надходять відповідно вимірника 15 кількості газу - до третього інформана перший, другий та третій інформаційні входи ційного входу процесора 16. Вихід процесора 16 процесора 16 і акумулюються в ньому. Здійснюють підключений до індикатора 17 залежностей кількопобудову профілів кількості газу й штибу залежно сті газу й штибу від глибини свердловини, від часу від глибини свердловини й часу обробкою по прой від сорбційної здатності штибу. Додатково герграмі в процесорі 16. На отриманих профілях кільметизація порожнього корпуса 1 забезпечена кості газу й штибу залежно від глибини свердловстановленим у його торці шевронним ущільненвини визначають середні значення й ням 18. середньоквадратичне відхилення кількості газу й Пропонований спосіб прогнозування небезпештибу. На відрізках глибини свердловини, де пики газодинамічних явищ у масиві гірських порід, тома кількість штибу більше середніх значень на наприклад вугільному пласті, здійснюють проповеличину середньоквадратичного відхилення сунованим пристроєм таким чином. дять про наявність зон підвищеного гірського тиску У вугільному пласті 19 у тім місці, у якому нена цих же відрізках глибини свердловини, а на обхідно провести прогнозування небезпеки газовідрізках глибини свердловини, де питома кіль 9 83173 10 кість газу більше середніх значень на величину виділяється в свердловину, і поточну кількість середньоквадратичного відхилення судять про штибу в накопичувачі. зони підвищеної газоносності на цих же відрізках По результатах вимірювання здійснювали поглибини свердловини. Інтегруванням профілю кібудову профілів кількості газу й штибу залежно від лькості газу залежно від глибини свердловини виглибини свердловини й профілю кількості газу зазначають середню газоносність вугілля в місці лежно від часу. На профілях визначали середні проведення розвідницької свердловини, і у випадзначення й середньоквадратичні відхиленнями ку, коли величина середньої газоносності перевикількості газу й штибу, також визначали величину щує величину граничної газоносності, визначену граничної газоносності за формулою: за формулою: g=0,25×d2×l×p×r×G=0,25×0,0422×1,0×3,14×1400×9=0, g=0,25×d2×l×p×r×G, 017м 3/м. де g - гранична газоносність, м 3/кг; Одержані дані вивели на індикатор залежносd - діаметр свердловини, м; тей кількості газу й штибу від глибини свердловиl - глибина свердловини, м; ни, від часу й від сорбційної здатності штибу (Фіг.2, G - гранична газоносність для даного родови3, 4). ща, м 3/кг; Установили, що на глибинах свердловини від 4 до 6 метрів, питома кількість штибу (3,8-5,5кг/м) r - щільність вугілля, кг/м 3, більше середнього значення (1,8кг/м) на величину і при збігу зон підвищеного гірського тиску й середньоквадратичного відхилення (2,0кг/м), тобто підвищеної газоносності судять про наявність зон, встановили наявність зони підвищеного гірського небезпечних по газодинамічних явищах. тиску на глибині свердловини, рівній 4м і більше У зонах, небезпечних по газодинамічних яви(Фіг.2). Вимірюванням кількості газу (Фіг.2), устаща х визначають сорбційну здатність штибу, для новили, що питома кількість газу (0,5-10-3м 3/с) бічого переривають буріння зупинкою обертання льша середнього значення (0,3-10-3м 3/с) на велипостава 9 і визначають поточну кількість виділеночину середньоквадратичного відхилення (0,2-10-3 го газу у часі апроксимацією кінетики газовиділенt/t м 3/с), починаючи з глибини 4,5м і далі, тобто устаня функцією виду: Q=Q0×ехр- , де Q - поточна новили зону підвищеної газоносності з глибини швидкість газовиділення, л/с; Q0 - початкова швидсвердловини 4,5м. Після цього інтегруванням кість газовиділення, л/с; t - поточний час; t - попрофілю кількості газу залежно від глибини свердстійна часу, с Результати вимірювання надходять ловини визначали середню газоносність штибу в на третій інформаційний вхід процесора 16 і після місці проведення розвідувальної свердловини, яка обробки індиціруються індикатором 17. При знавиявилась вище величини граничної газоносності, ченнях постійної часу (t) менше 250с, ці зони відвизначеної за формулою. Таким чином, пришли до носять до особливо небезпечних. висновку про наявність зони, небезпечної по газоПриклад. динамічним явищам, з глибини 5м. Додатково, У вибої конвейерного штреку вугільного пласперериванням буріння на глибині 5 і 6м визначали та вугільної ша хти пробурили коротку свердловину сорбційну здатність вугілля, яке знаходиться в діаметром 0,09м, довжиною 0,6м. У цю свердлонакопичувачі. За показниками поточної кількості вину ввели наконечник пристрою й накачали еласвиділеного газу у часі (Фіг.3) визначили, що на тичну камеру повітрям за допомогою шахтної меглибині 5м постійна часу дорівнює 350с, а на глирежі стисненого повітря. У результаті цих дій бині 6м-250с, тобто особлива небезпечність газопристрій зафіксували в свердловині, одночасно динамічного явища відповідає глибині 6м. була досягнута герметизація устя розвідувальної У порівнянні з найближчим аналогом пропоносвердловини. Потім у коротку свердловину ввели вані спосіб і пристрій для його здійснення в умовах буровий постав, без порушення її герметизації, і герметизованої свердловини забезпечують виміприступилися до буріння розвідувальної свердлорювання практично повної кількості виділяємого в вини діаметром 0,042м і довжиною 6м. При цьому свердловину газу, що приводить до підвищення безперервно, з інтервалом в 1 с, контролювали точності й достовірності визначення зон, небезпеглибину свердловини, поточну кількість газу, що чних по видах газодинамічних явищ, на порядок. 11 83173 12 13 Комп’ютерна в ерстка В. Мацело 83173 Підписне 14 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601