Спосіб дегазації масиву гірських порід

Реферат: Спосіб дегазації масиву гірських порід, що включає буріння дегазаційної свердловини зі склепової частини виїмкової виробки за визначеними параметрами, обсаджування і герметизацію дегазаційної свердловини та підключення до дегазаційної системи і створення вакууму у дегазаційній свердловині. Додатково визначають зміщення покрівлі виїмкової виробки, визначають величину зосередженого зсуву дегазаційної свердловини залежно від величини зміщення покрівлі виїмкової виробки та приведеного радіуса перерізу виїмкової виробки. Дегазаційну свердловину бурять діаметром, залежним від величини зосередженого зсуву, і герметизують на глибину, що визначають залежно від глибини герметизації дегазаційної свердловини та частки підсмоктувань повітря у дегазаційну свердловину від максимально можливих у момент руйнування її герметизації. UA 104979 C2 (12) UA 104979 C2 UA 104979 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до гірничої промисловості і може бути використаним для дегазації газонасичених пісковиків і вугільних супутників з підземних виробок під час відпрацювання вугільного пласта довгим очисним вибоєм. Відомий спосіб випереджаючої дегазації порід покрівлі високонавантажених лав [1]. Спосіб включає вибір геологічних об'єктів дегазації, буріння із підготовчих виробок дегазаційних свердловин, їх обсаджування, герметизацію та підключення до дегазаційних трубопроводів, причому буріння дегазаційних свердловин здійснюють в напрямку порід покрівлі відпрацьованої лави, суміжною з лавою, яка буде відпрацьовуватися, перетинаючи на повну товщину геологічний об'єкт дегазації в смузі найбільшого прогину порід, яка обмежена зоною активного зсування порід з боку відробленого простору та зоною опорного тиску з боку неторканого масиву, для чого кут розвороту свердловини від осі підготовчої виробки приймають рівним 90°, кут нахилу свердловини до горизонту визначають за формулою =(145+)/2±2, °, де  - кут залягання порід, рівний 0-35°, а довжину свердловини обчислюють за формулою І=1,05h/sin(-), м, де h - відстань за нормаллю від покрівлі вугільного пласта, який відробляється, до покрівлі геологічного об'єкта дегазації, м. Спосіб реалізується так. Визначають стратиграфічну будову масиву навколо виїмкової виробки, і знаходять геологічний об'єкт дегазації у вигляді зони найбільшого прогину порід, яка обмежена зоною активного зсування порід з боку відробленого простору та зоною опорного тиску з боку неторканого масиву, визначають кут залягання порід, кути нахилу і розвороту дегазаційної свердловини. Кут нахилу визначають за формулою =(145+)/2±2, кут розвороту свердловини від осі підготовчої виробки приймають рівним 90°. Визначають довжину дегазаційної свердловини за формулою І = 1,05h/sin(-). Визначають діаметр дегазаційної свердловини, величину вакууму на гирлі дегазаційної свердловини, величину підсосів повітря, глибину герметизації гирла дегазаційної свердловини. Потім бурять із підготовчих виробок дегазаційні свердловини, обсаджують їх, герметизують та підключають до дегазаційних трубопроводів. Використання відомого способу характеризується незначним об'ємом метану, що каптується, тому що він не враховує деформації дегазаційної свердловини з боку гирла, які суттєво збільшують аеродинамічний опір свердловин, перекриваючи їх переріз. Найближчим аналогом до способу, що заявляється, є спосіб дегазації масиву гірських порід [2]. Спосіб включає визначення стратиграфічної будови масиву навколо виїмкової виробки, кута залягання порід, міцності вміщуючих порід, кута розвантаження підроблюваної товщі, діаметра дегазаційної свердловини, кутів нахилу і розвороту дегазаційної свердловини, довжини дегазаційної свердловини, величини вакууму на гирлі дегазаційної свердловини, величини підсосів повітря, глибини герметизації дегазаційної свердловини, буріння дегазаційної свердловини зі склепової частини виїмкової виробки за визначеними параметрами, обсаджування і герметизацію дегазаційної свердловини, підключення дегазаційної свердловини до дегазаційної системи і створення вакууму у дегазаційній свердловині. Спосіб виконують так. Визначають стратиграфічну будову масиву навколо виїмкової виробки, кут залягання  порід, міцність вміщуючих порід. Визначають кут розвантаження  товщі, що підроблюється, згідно з таблицею 3.2 [2]. Так у разі, коли товща, яка підроблюється, складена на 50 % пісковиками і алевролітами, міцність порід на одноосьовий стиск становить 50-60 МПа, а кут розвантаження ψ товщі приймають рівним 60-65°. Встановлюють діаметр D дегазаційної свердловини у межах 76-112 мм, керуючись продуктивністю дегазаційної 3 свердловини при умовах середньої метаноносності 5-15 м /т. Визначають кути нахилу і розвороту дегазаційної свердловини. Кут розвороту  приймають у межах 60-70°. Визначають довжину L дегазаційної свердловини. Наприклад при відстані до газоносного шару 30 м і одночасній роботі двох свердловин їх довжину приймають рівною 80 м. Кут нахилу  визначають згідно з залежністю: 50 55    L  L2 1  r 2 tg 2    2 / cos 2  ,   / cos   L r tg  де r = cos ,  - кут залягання порід, М - відстань до газоносного пісковику або вугільного супутника по нормалі до нашарування. Визначають величину вакууму на гирлі дегазаційної свердловини на рівні 13,3 кПа. -3 3 Визначають величину  підсосів повітря на рівні 0,00510 м /хв./Па. Визначають глибину герметизації дегазаційної свердловини з боку гирла, рівною 10 м. Бурять і обсаджують дегазаційну свердловину зі склепової частини виїмкової виробки. Герметизують дегазаційну свердловину з боку гирла. Підключають дегазаційну свердловину до дегазаційної системи і створюють вакуум на гирлі дегазаційної свердловини. Недоліком способу є низький об'єм метану, що каптується, тому що він не враховує деформації дегазаційної свердловини, які   2arctg 1 UA 104979 C2 5 10 15 20 виникають у зоні підробки породного газоносного масиву. Дослідженнями встановлено, що під час підробки породної газоносної товщі виникають зосереджені зсуви на гирлі дегазаційної свердловини. Ці зсуви зменшують діаметр свердловини, що підвищує аеродинамічний опір і створює перешкоду для видалення вибухонебезпечного метану у дегазаційну систему. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу дегазації масиву гірських порід, в якому за рахунок введення нових операцій забезпечується можливість врахування зосереджених деформацій зсуву дегазаційної свердловини, що приводить до підвищення об'єму метану, що каптується. Поставлена задача вирішується тим, що в способі дегазації масиву гірських порід, що включає визначення стратиграфічної будови масиву навколо виїмкової виробки, кута залягання порід, міцності вміщуючих порід, кута розвантаження підроблюваної товщі, діаметра дегазаційної свердловини, кутів нахилу і розвороту дегазаційної свердловини, довжини дегазаційної свердловини, величини вакууму на гирлі дегазаційної свердловини, величини підсосів повітря, глибини герметизації дегазаційної свердловини, буріння дегазаційної свердловини зі склепової частини виїмкової виробки за визначеними параметрами, обсаджування і герметизацію дегазаційної свердловини, підключення дегазаційної свердловини до дегазаційної системи і створення вакууму у дегазаційній свердловині, згідно з винаходом, додатково визначають зміщення покрівлі виїмкової виробки, визначають величину зосередженого зсуву дегазаційної свердловини згідно з залежністю S = (0,056Ln(U/R) + 0,3)U, мм, де S - величина зосередженого зсуву, U - зміщення покрівлі виїмкової виробки, мм, R приведений радіус перерізу виїмкової виробки, мм, дегазаційну свердловину бурять діаметром не менше 2,5S і герметизують на глибину, що визначають згідно з залежністю: 0,25  , мм, L  R  6,69 0,173 U / R  де L - глибина герметизації дегазаційної свердловини, Δ - частка підсмоктувань повітря у дегазаційну свердловину від максимально можливих у момент руйнування її герметизації, %. Визначення зміщення U покрівлі виїмкової виробки є причиною виникнення зосередженого зсуву на гирлі дегазаційної свердловини. Тому визначення зміщення покрівлі дає змогу визначити величину зосередженого зсуву для забезпечення визначення причини низького об'єму метану, що каптується. Буріння свердловини діаметром не менше 2,5S обумовлено тим, що експериментально доведено, що зосереджений зсув гирла дегазаційної свердловини до величини, що є меншою за її радіус, не зменшує аеродинамічний опір свердловини суттєво і тому практично не впливає на ефективність роботи дегазаційної свердловини. Проте як тільки величина зосередженого зсуву перевищує радіус дегазаційної свердловини, її аеродинамічний опір стрибкоподібно зростає, а ефективність дегазації падає. Таким чином вказана операція дає змоги компенсувати негативний ефект деформації гирла дегазаційної свердловини і забезпечити високий об'єм метану, що каптується. Герметизацію дегазаційної свердловини здійснюють на глибину, що визначають згідно з пропонованою залежністю і сприяє подальшому збільшенню об'єму метану, що каптується, за рахунок визначення необхідної і достатньої глибини герметизації дегазаційної свердловини з боку гирла. Суть способу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображена комбінована система розробки вугільного пласта; на фіг. 2 - вертикальний переріз товщі навколо дегазаційної свердловини, на який спроектована її вісь; на фіг. 3 - поперечний переріз дегазаційної свердловини під час її зосередженого зсуву. На фігурах позначені: 1 - виїмкова виробка, 2 - породний шар аргіліту, 3 - породний шар алевроліту, 4 - породний шар пісковику, 5 вугільний супутник, 6 - безпосередня покрівля виїмкової виробки, 7 - дегазаційна свердловина, 8 - гирло дегазаційної свердловини, 9 - лита охоронна смуга, 10 - склепова частина виїмкової виробки після її проходки, 11 склепова частина виїмкової виробки після її деформації під дією гірського тиску, 12 - дегазаційний постав, 13 - очисний вибій, 14 - падіння порід, L - глибина частини 15 дегазаційної свердловини, герметизована з боку гирла, Μ - відстань до газоносного вугільного супутника, D - діаметр дегазаційної свердловини до її деформування зосередженим зсувом, d і F - менший і більший розмір поперечного перерізу дегазаційної свердловини після деформації дегазаційної свердловини, S - величина зосередженого зсуву,  - кут розвороту дегазаційної свердловини у горизонтальній площині,  - кут розвороту дегазаційної свердловини у вертикальній площині (кут нахилу),  - кут розвантаження,  - кут залягання порід. Приклад. Виконання способу здійснювали для таких умов. Глибина залягання вугільного пласта становить 800 м, кут залягання порід 5°, потужність вугільного пласта 1,5 м. Безпосередня покрівля пласта представлена аргілітом потужністю 5 м і міцністю на одноосьовий стиск 40 МПа. Вище залягає алевроліт потужністю 4 м і міцністю 50 МПа. Над шаром алевроліту 0 , 435 25 30 35 40 45 50 55 60 2 UA 104979 C2 5 10 15 20 розташований пісковик потужністю 6 м і міцністю 65 МПа. Над пісковиком залягає газоносний вугільний супутник потужністю 0,6 м і міцністю 15 МПа. Вугільний пласт виймали довгим очисним вибоєм за комбінованою системою розробки. Для цього виїмковий стовп оконтурювали виїмковими виробками, з яких бурили дегазаційні свердловини до підходу очисного вибою і підтримували виїмкову виробку позаду лави за допомогою охоронних споруд типу литих смуг. Ширина виїмкової виробки дорівнює 5 м, а приведений радіус її перерізу відповідно 2,5 м. За допомогою дегазаційних свердловин здійснювали дегазацію газоносних порід, щоб забезпечити високе навантаження на лаву. Спосіб виконували так. Визначали стратиграфічну будову масиву навколо виїмкової виробки 1. Для цього визначали кут залягання  порід. Визначали міцність уміщуючих порід 2, 3, 4, 5 покрівлі 6. Міцності порід визначали з геологічних вихідних даних. Визначали кут розвантаження  товщі, що підроблюється, яка у даному випадку складена більш ніж на 50 % алевролітами і пісковиками, отже має середню міцність 55 МПа. Тому кут розвантаження  приймали рівним 65°. Кут розвороту  приймали згідно з таблицею 1 [2] у межах 60-70°. Довжину L дегазаційної свердловини 7 визначали з такого розрахунку, щоб вона перетинала газоносний шар породи або вугілля на відстані 10-30 виїмкових потужностей вугільного пласта. У даному випадку газоносний вугільний супутник розташований на відстані 15 м. Довжину L дегазаційної свердловини визначали з таблиці III.6.4 [2]. При відстані до газоносного шару 30 м і одночасній роботі двох свердловин, їх довжину приймали рівною 80 м. Кут нахилу  визначали згідно з залежністю: 25 30 35    L  L2 1  r 2 tg 2    2 / cos 2    / cos   L r tg  де r = cos,  - кут залягання порід; М - відстань до газоносного пісковику або вугільного супутника по нормалі до нашарування. При значеннях вхідних параметрів, які вказані в умовах прикладу, кут нахилу дорівнює 20 . Визначали величину вакууму на гирлі 8 дегазаційної свердловини 7, яка дорівнювала 13,3 кПа. Визначали величину  підсмоктувань повітря на рівні 5 % від максимально можливого. Визначали зміщення U покрівлі виїмкової виробки згідно з галузевим нормативним документом [3]. Для цього на висоті 1,5 ширини виїмкової виробки 1 (тобто 5 м1,5=7,5 м) визначали середньозважену міцність порід, яка дорівнювала 48 МПа. З урахуванням жорсткості литої охоронної смуги 9, що дорівнювала 0,1 від виїмкової потужності, і розшарування безпосередньої покрівлі 6 величина зміщень покрівлі дорівнювала 250 мм. Визначали величину зосередженого зсуву S згідно з залежністю: S = (0,056Ln(250/2500) + 0,3)250=43 мм, де R=2,5 м - приведений радіус перерізу виїмкової виробки 1 з боку її покрівлі 10. Величину діаметра дегазаційної свердловини приймали не меншою за 2,5S (тобто 43 мм-2,5=107,5 мм). Приймали D= 112мм>107,5 мм, а глибину герметизації дегазаційної свердловини з боку гирла визначали згідно з залежністю:   2arctg L  2500 6,69  50,173 250/ 2500  6931 мм Корегували глибину герметизації на величину кута розвороту дегазаційної свердловини: 6931/cos(60) = 13862 мм. Бурили і обсаджували дегазаційну свердловину зі склепової частини виїмкової виробки. Герметизували дегазаційну свердловину 1 з боку гирла 8. Підключали дегазаційну свердловину 1 до дегазаційної системи 12 і створювали вакуум на гирлі дегазаційної свердловини. Промислова перевірка способу, що заявляється, свідчить про те, що він в порівнянні зі способом-найближчим аналогом забезпечує підвищення об'єму метану, що каптується в 3-5 рази і нейтралізує негативний ефект деформацій покрівлі виїмкової виробки, зберігаючи низький рівень аеродинамічного опору дегазаційної свердловини і підсосів повітря з атмосфери виїмкової виробки. Перелік посилань. 1. UA 75821 С2; E21F 7/00; 15.05.2006. 2. Руководство по дегазации угольных шахт. - М.: Минугепром СССР, 1990 г. 3. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. - Л.: ВНИМИ, 1985. 0,2550, 435 40 45 50 3 UA 104979 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Спосіб дегазації масиву гірських порід, що включає визначення стратиграфічної будови масиву навколо виїмкової виробки, кута залягання порід, міцності вміщуючих порід, кута розвантаження розроблюваної товщі, діаметра дегазаційної свердловини, кутів нахилу і розвороту дегазаційної свердловини, довжини дегазаційної свердловини, величини вакууму на гирлі дегазаційної свердловини, величини підсмоктування повітря, глибини герметизації дегазаційної свердловини, буріння дегазаційної свердловини зі склепової частини виїмкової виробки за визначеними параметрами, обсаджування і герметизацію дегазаційної свердловини, підключення дегазаційної свердловини до дегазаційної системи і створення вакууму у дегазаційній свердловині, який відрізняється тим, що додатково визначають зміщення покрівлі виїмкової виробки, визначають величину зосередженого зсуву дегазаційної свердловини згідно з залежністю S=(0,056Ln(U/R)+0,3)U, мм, де S - величина зосередженого зсуву, U - зміщення покрівлі виїмкової виробки, мм, R - приведений радіус перерізу виїмкової виробки, мм, дегазаційну свердловину бурять діаметром не менше 2,5S і герметизують на глибину, що визначають згідно з залежністю: L  R  6,69 0,173 U / R  , мм, де L - глибина герметизації дегазаційної свердловини, Δ - частка підсмоктувань повітря у дегазаційну свердловину від максимально можливих у момент руйнування її герметизації, %. 0,25 0 , 435 20 4 UA 104979 C2 5 UA 104979 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 6