Способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа при проведении горных выработок

(11) Е 5/00 973 19) 51)5 Е ИСАНИЕ ИЗОБРЕ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа. М,: Недра, 1977, с, 77 - 81.Там же, с. 73 - 77.(54) СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК (57) Использование; горнодобывающая промышленность, подземная разработка месторождений, опасных по внезапным выбросам угля и газа, технология проведеболее 0,6 по шкале М то время, как больши пасных пластов имеюИзвестен способ запных выбросов угл бурение скважины в щение и герметизац нагнетание жидкости ма (п рототип). М. Протод ство угле т крепость предотвра и газа, в орный мас ю в ней и в режиме 0 относитсяможет бытьния внезапрохождениивыбросоопасоб предотовительныхопережаювымываниилостей на дине несниж яконова, в выбросооболее 0,6,щения внелючающий ив, разменъектора и идроотжипособа являу полостями, напряженноиченное пристью угля не известного целиков меж повышению сива, и огран ленное креп ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) Изобретение мышленности и для предотвраще угля и газа при и боток и вскрытии Известен спо брасов в подгот гидровымывания заключающийся в шенного угля по удвоенной велич жения. Недостатком ются оставление способствующее ГО состояния мэс менение, обусловк горнои происпользовано ных выбросов горных вырасных пластов. вращения вызабоях путем щих полостей, в пачке нару- лину, равную аемого оперения горноподготовительных выработок, Сущность изобретения: при проведении выработок смешанным забоем из забоя бурят шпуры, герметизируют их, нагнетают рабочую жидкость в режиме гидроотжима, определяют размер зоны с максимальной концентрацией напряжений, при этом шпуры по пласту угля бурят на глубину Ь = Ь 1+Ь, где Ь 1 - размер неустойчивого слоя; Ь 2 - размер устойчивой части слоя, через породную пробку бурят технологическую скважину, пересекающую пласт за зоной максимальной концентрации напряжений и нагнетают в эту скважину жидкость с давлением 0,1)Н 9 0,3)Н, но не более 0,5)Н, ф где) - средняя плотность пород; Н - глубина расположения выработки, нагнетание производят до выдвижения массива угля в сторону обнажения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. Однако этот способ также недостаточно эффективен, так как область его применения очень зависит от горногеологических характеристик пласта, поскольку при нагнетании в угольный пласт воды гидроотжим на заданную длину не п редставляется возможным осуществить.Ь = Ь 1+Ь 2,10 3Ь 1 - , 1 15 20 25 а Ьг из соотношения 30 35 5 5 Целью изобретения является повышение темпов проведения выработки и безопасности труда за счет увеличения зоны разгрузки выбросоопасного пласта.Поставленная цель достигается тем, что шпуры бурят по пласту на величину Ь, определяемую из выражения где Ь 1 - размер неустойчивого слоя, определяют из соотношения где А, В, С - коэффициенты определяемыепо зависимости 1 впЯ 1+вопр 1+впрС = 3+ 2 зпр - вп ар,затем производят бурения технологической скважины через породную пробку под углами к оси выработки и горизонту с учетом вхождения забоя скважины в пласт за зоной максимальной концентрации напряжений и пересечения пласта на полную мощность, обустраивают заслонкой и производят циклические знакопеременные нагрузки на пласт раба им агентом под давлением 0,1 3 Н = ц 0,3(Н, но не более 0,5 Н до выхода рабочей жидкости из шпуров, выделившийся объем газа регистрируют измерительной аппаратурой, нагнетают через шпуры рабочую жидкость до сдвижения угольного массива в сторону забоя, при этом интенсивность гидроотжима регистрируют сейсмоакустической аппаратурой и по показаниям манометра, а затем создают давление рабочей жидкости в технологической кважине до значения 1,0 - 1,51 Н и гидроотжим осуществляют одновременно через ехнологическую скважину и шпуры до двигания призабойной части угольного ассива в сторону забоя или обильного выхода рабочего жидкости в выработку через грудь забоя,Анализ патентной и научно-технической литературы показал, что предлагаемое техническое решение отличается от известных следующей совокупностью признаков; по пласту на толщу предохранительного целика бурят шпуры;по породе на пласт бурят технологическую скважину под углами к оси выработки и горизонту и пересекающую пласт на полную мощность;забой технологической скважины входит в пласт за зоной максимальной концентрации напряжений;циклические знакопеременные нагрузки на пласт осуществляют рабочей жидкостью через технологическую скважину под давлением 0,1 Н 90,31 Н,нонеболее 0,5 н;знакопеременные нагрузки на пласт осуществляют до достижения границей зоны разупрочненного угля забоев шпуров и истечения через них газа;выделившийся через шпуры объем газа регистрируют измерительной аппаратурой;уменьшают размер устойчивой части слоя и увеличивают площадь разупрочненного угля путем гидроотжима угольного массива в сторону забоя;при осуществлении гидроотжима через шпуры интенсивность его регистрируют сейсмоакустической аппаратурой и по показанию манометра, установленного на заслонке технологической скважины;после гидроотжима пласта через шпуры гидроотжим осуществляют одновременно через технологическую скважину и шпуры до сдвижения призабойной части угольного массива в сторону забоя или обильного выхода рабочего агента в выработку,Указанная совокупность признаков является совокупностью неизвестных существенных признаков, так как все эти признаки непосредственно влияют на достижение поставленной цели, а отсутствие хотя бы одного из них в предлагаемой совокупности не позволит достичь цели изобретения, т.е, повысить эффективность способа за счет увеличения зоны разгрузки выбросоопасного угольного пласта,Пробуренные шпуры позволяют предохранить размер устойчивой части слоя Ь от самопроизвольного разрушения за счет выхода через них газа в забой выработки при достижении границей зоны разупрочненного угля забоев шпуров, Дополнительно шпуры могут быть использованы для прогноза выбросоопасности пласта.Бурение технологической скважины по породе на пласт с перебуриванием пласта на полную мощность с вхождением забоя скважины в пласт за зоной максимальной концентрации напряжений позволяет предотвратить возникновение внезапного выброса угля и газа при ее бурении, увеличить1 7 1 3 0,809 чением С еском воз онцентра я гаэовоз т объем через тех разупроч ределяют с конкретным зна метана при циклич при гидроотжиме, енно с записью к скорости движени еси определяю угля, извлеченного скважину, и объем гидроотжиме и оп выделение где Ъ - время концентрации действии илиОдноврем ции метана и душной смразрушенного нологическую нного при ельное газо дуд = -кувность разуппри цикличечения 0,1) Н, т,е, до 2,5 МПа, исключая выход газа в выработку. Величины давления рабочей жидкости в скважине контролируют по показаниям манометра, Значения верхнего и нижнего пределовдавления рабочей жидкости позволяют создать нагрузки на пласт, близкие к частоте отрыва слоя угля при протекании газодинамических процессов. Циклическое воздействие на пласт повторяют до достижения зоны разупрочненного угля забоев шпуров 3 и истечения через них газа. Размер неустойчивого иустойчивого слоев Ь+Ь 2, перебуриваемых шпурами 3, заблаговременно определяется расчетным методом, Например, при 1= 25 кН/м, Н = 1000з,м; с 1 = 3 м; т = 1 м; а= 60, Е = 1,8 10 МПа; К = О, МПа; р=36; д =7 МПа; и = 1; )Н = 25 М Па. С = 3+ 2 0,588 - (0,588) = 3,831= 0,346+ 3,42 = 3,766 м, После разупрочнения пласта 2 в глубине забоя давление в скважине сбрасывают до нуля, заслонка закрыта. В шпу;,. 3 досылают гибкие гидрозатворы и создают давление рабочей жидкости д = 1,0-1,5 1 Н до сдвижения угольного пласта в сторону забоя. Интенсивность гидроотжима контролируется сейстоакустической аппаратурой и по увеличению давления в скважине 4 - по показанию манометра. После выполнения гидроотжима через шпуры создают давление в скважине 4, равное д = 1,0 Н, и одновременно через шпуры 3 и скважину 4 производят гидроотжим пласта, сдвигая его в сторону забоя или до обильного выхода рабочей жидкости в забой выработки,При слабых и перетертых углях с крепостью 1 1 по шкале Протодьяконова после разупрочнения пласта 2 в глубине забоя через скважину 4 гидроотжим пласта осущест 51015 вляют сразу в сторону забоя путем создания давления рабочей жидкости в скважине 4 и шпурах 3 одновременно при д = 1,0 - 1,5)Н,Контроль эффективности разупрочнения угольного пласта при циклическом воздействии через скважину 4 и гидроотжиме осуществляют датчиками концентрации метана по показателю удельного газовыделения. Для этого в сечении замерной станции, где установлен датчик контроля концентрации метана, например, в 100 м от забоя выработки, определяют дебит выделяющегося газа и его общее количество в процессе циклического воздействия на пласт и при гидроотжиме.Дебит метана в конкретный момент времени определяется из выражения гДе Ог 1 - Дебит метана в 1-й момент вРемени;Ч 1 - скорость движения газовоэдушной смеси в 1-й момент времени;С 1 - концентрация метана в 1-й момент времени;Я - площадь сечения выработки у замерной станции.Общее количество выделившегося газа (Чг) определяется из выражения где Чу - объем разрушенного и разупрочненного угля при циклическом воздействии на пласт и от сдвижения в сторону забоя.Обработка пласта считается эффективной, если дуд0,15-0,3, а выдвигание угольного забоя составит 0,02 1 где 1 г - глубина герметизации шпура, или произойдет обильный выход рабочей жидкости на забой выработки.Дополнительно эффектирочнения угольного пластав 5 и более раз обнаженную скважиной поверхность угля, что позволит во столько же раз увеличить площадь контакта рабочей жидкости с поверхностью газонасыщенного угля, увеличить газовыделение через обнаженную поверхность и, следовательно, увеличить работу газа по разрушению угля при циклическом воздействии.Признак циклического воздействия рабочим агентом на пласт с параметрами давления 0,1)Н 90,3/Н, но не более 0,5)Н и его раскачку с целью перевода угля в подвижное состояние позволяет ускорить разупрочнение угля и увеличить зону разгрузки пласта. Верхний предел давления 0,3)Н позволяет оттеснить газообразные продукты в систему мелких трещин. Нижний предел давления 0,1 )Н позволяет сбрасывать угольную пульпу в выработку без выхода газа, энергоносителя послойного разрушения угля. Кроме того, значения верхнего и нижнего пределов давления рабочей жидкости позволяет создать нагрузки на пласт, близкие к частоте отрыва слоя угля при протекании газодинамических процессов, Максимальные значения давления в скважине не должны превышать 0,5)Н для исключения гидроразрыва пласта, Воздействие на пласт знакопеременной нагрузкой позволяет образовать зону разупрочненного угля,Признак гидроотжима пласта через шпуры, а затем через шпуры и скважину одновременно позволяет увеличить зону разгрузки пласта, увлажнить пласт и снизить запыленность исходящей струи воздуха при взрывных работах,Признак гидроотжима через шпуры в направлении разупрочненного угля позволяет уменьшить размер устойчивой части слоя целика сдвигаемой затем в сторону забоя путем нагнетания рабочей жидкости одновременно в скважину и шпуры, повышая качество выполнения процесса гидро- отжима. Контроль эффективности выполнения циклического воздействия по ,разупрочнению угольного пласта и гидроотжима контролирует датчиками коцентрации метана через показатель - удельное газовыделение.Совокупность признаков: бурение шпуров на размер устойчивой части слоя, технологической скважины с заданными геометрическими параметрами, циклическое воздействие на пласт до достижения границей зоны разупрочненного угля забоев шпуров образуют новую связь признаков, т,к, позволяют использовать полученные в процессе циклического воздействия новые физико-механические свойства пласта, увеличить зону разгрузки 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 пласта, предотвратить разрушение призабойной его части при раскачке и переводе угля в подвижное состояние,Следовательно, каждый иэ приведенных в формуле изобретения признаков, отдельно взятый, необходим, а все отличительные признаки, вместе взятые, достаточны для того, чтобы отличить данный объект изобретения от других объектов того же назначения и характеризовать его в том качестве, которое проявляется в положительном эффекте, Отсутствие одного из вышеуказанных признаков в совокупности не дает возможности получить положительный эффект, который является целью изобретения и лишь его наличие в совокупности обеспечивает получение искомого результата,На основании изложенного можно сделать вывод, что указанные признаки являются новыми существенными признаками, а заявляемое техническое решение соответствует критериям охраноспособности "новизна", "существенные отличия", "положительный эффект".Предлагаемый способ возможно использовать для безопасности прохождения пластовых выработок, а также при вскрытии выбросоопасных пластов.На фиг. 1 и 2 приведены поперечное сечение и продольный разрез выработок при прохождении их по пластам крутого и полого падения,Способ осуществляют следующим образом.Из забоя подготовительной выработки 1 на пласт 2 бурят шпуры 3, а через породную пробку на пласт бурят технологическую скважину 4 под углом к горизонту, например, 5 - 10 с учетом вхождения забоя скважины в пласт на расстояние 5 - 7 м от забоя выработки с перебуриванием, пласта на полную мощность, где 5 - след пласта.В скважину 4 досылают стальные трубы с заходом их в угольный пласт, например, на 1/4 длины скважин ы, пройден ной по угл ю, диаметром до 110 мм, герметизируют вяжущим раствором и обустраивают устье скважины гидродинамической системой (заслонка, спаренная по направляющей с гидроцилиндром), высоконапорной арматурой и измерительными приборами. Циклическое воздействие на пласт осуществляют путем создания в скважине при закрытой заслонке нагрузок с верхним пределом 0,3 )Н, что для глубины, например, 1000 м составляет 7,5 МПа, для оттеснения рабочей жидкости, например, водой газа в систему мелких трещин. Сброс давления рабочей жидкости в скважине осуществляют до зна1789732 10 ском воздействии и гидроотжиме пласта определяется по возрастанию часовой шум, ности пласта в 2 раза и более по сравнению со средним уровнем шумности, определяемой сейсмоакустической аппаратурой, 5По сравнению со способом, выбраннымв качестве прототипа, предлагаемый способ предупреждения внезапных выбросов угля и газа при прохождении пластиковых выработок позволяет 10производить разупрочнение и разгрузкупласта в глубине массива при циклическом воздействии на пласт рабочим агентом;создать знакопеременные нагрузки на пласт, близкие к частоте отрыва слоя угля 15 20 Формула изобретения 1. Способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа при прохождении горных выработок, включающий бурение из забоя выработки шпуров, их герметизацию, нагнетание в шпуры жидкости в режиме гидроотжима и определение зон максимальной концентрации напряжений, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью повышения темпов проведения выработки и безопасности труда за счет увеличения размеров зоны разгрузки выбросоопасного пласта, шпуры по пласту угля бурят на величину Ь, определяемую из выражения Ь= Ь 1+Ь 2, где Ь 1 - размер неустойчивого слоя, определяемый из соотношения 3Ь где А, В, С - коэффициенты определяемыепо зависимостям 11 + зпр 1 + зп рС = 3+ 2 зп р - яи р, где Р- угол внутреннего трения угля;а- угол падения пласта;у - плотность пород;Н - глубина расположения выработки;Е - модуль Юнга для угля; а Ь 2 - размер устойчивой части слоя, определяемый из соотношения: чности угля; ости в скваде и - коэффициент запаса и о - давление рабочей жи ине;25 30 35 40 45 50 55 при протекании газодинамических процессов;повысить качество процесса отжима за счет возможности выдвигания пласта в сторону забоя выработки через шпуры, а также через шпуры и технологическую скважину одновременно;повысить технико-экономические показатели, предъявляемые к аналогичным способам, т.к, содержит операции, направленные на создание разветвленной системы трещин при выемке угля в процессе циклического воздействия и гидроотжима пласта, увеличить зону разгрузки пласта, составляющую до 20 м. гп - мощность пласта;б - диаметр выработки;К - коэффициент сцепления вещества угля,затем производят бурение технологической скважины через породную пробку под углом к оси выработки и к горизонту с учетом вхождения забоя скважины в пласт за зоной максимальной концентрации напряжений и пересечения пласта на полную мощность, обустраивают ее заслонкой и производят циклические знакопеременные нагрузки на пласт рабочей жидкостью под давлением 0,1 Н у 0,31 Н, но не более 0,5 Н, где- средняя плотность пород; Н - глубина расположения выработки, до выхода рабочей жидкости из шпуров, объем газа, выделившегося при этом, регистрируют измерительной аппаратурой, нагнетают рабочую жидкость до сдвижения угольного массива в сторону забоя, интенсивность гидроотжима регистрируют сейсмоакустической аппаратурой и по показаниям манометра, а затем повышают давление рабочей жидкости в технологической скважине до значений 1,0 - 1,5 Н и гидроотжим осуществляют одновременно через технологическую скважину и шпуры до сдвижения призабойной части угольного массива в сторону забоя и обильного выхода рабочей жидкости в выработку,2. Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что контроль степени разгрузки пласта осуществляют по удельному объему газовыделения и величине выдвигания угольного массива в сторону забоя, обработку считают эффективной при удельном газовыделении цуд 0,15 - 0,3 и выдвигании угольного массива не менее 0,02 2, где 2 - глубина герметизации шпура.1789732Составитель В.Олейник едактор Т.Куркова Техред М.Моргентал Корректор Т,Ващкович Заказ 337 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская нэб 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101