Способ управления труднообрушаемой кровлей в очистных забоях

А 1 СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 173712 19) .ЬР Ц С 41 18,Е 21 00 5)5 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ1К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ дова- роект- ьным ков, П.П,Креу 70 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР(71) Государственный научно-исслтельский, проектно-конструкторский иный угольный институт с экспериментзаводом "Печорниипроект"(56) Авторское свидетельство СССР М 344130, кл; Е 21 С 41/18, 1969,Авторское свидетельство СССР М 311011, кл. Е 21 О 23/00, 1968. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРУДНООБРУ ШАЕМОЙ КРОВЛЕЙ В ОЧИСТНЫХ ЗАБО- ЯХ(57) Использование. в горной промышленности при разработке угольных пластов с неустойчивой непосредственной кровлей. Сущность изобретения: в неустойчивую непосредственную кровлю 4 и основную труднообрушаемую кровлю 5 бурят основные и отбойные скважины 6 и 7. под углом одна к другой. Скважины, пробуренные из одного штрека. смещают относительно скважин, пробуренных из другого штрека. В породах основной кровли в скважинах размещают. сосредоточенные заряды 10. В породах неустойчивой непосредственной кровли размещают рассредоточенные заряды 11, Скважины заполняют коллоидным раствором и одновременно взрывают в зоне опорного давления Массу рассредоточенного заряда определяют радиусом его разрушения до угольного пласта, 3 з.п. ф-лы, 2 ил.Изобретение относится к горной промышленности и может быть использованопри управлении труднообрушаемой кровлей при разработке угольных пластов с неустойчивой непосредственной кровлей.Известен способ управления труднообрушаемой кровлей с неустойчивой непосредственной кровлей путем разупрочнениятруднообрушаемой кровли гидрообработкой через скважины, пробуренные со штреков, причем для предотвращениявоздействия на неустойчивые слои непосредственной кровли производится обсадкаучастка скважины, расположенного в непосредственной кровле и частично в основнойкровле. Высота заложения концов обсадных труб принимается такой, чтобы расстояние по нормали от него до неустойчивыхслоев было не менее 0,6 радиуса гидрообработки и исключало воэможность из разупрочнения,Известен способ управления труднообрушаемой кровлей в очистных забоях с применением взрывных работ и бурениемскважин из штреков, при котором до началаочистных работ проводят разрушение основной кровли по всему выемочному полюна блоки, равные естественному шагу обрушения, с оставлением пачки породы, прилегающей к угольному пласту, причем зарядразмещают сосредоточенно на участкескважины, расположенном в труднообрушаемой основной кровле,Недостатком данного способа являетсято, что область его эффективного применения ограничивается наличием неустойчивойнепосредственной кровли,Цель изобретения - повышение эффективности управления труднообрушаемойосновной и неустойчивой непосредственной кровлями,Поставленная цель достигается тем, чтов известном способе управления труднооб рушаемой кровлей в очистных забоях., включающем бурение из штреков основных иотбойных скважин в породы основной кровли, заряжание их сосредоточенными зарядами ВБ, заполнение скважин жидкостью,взрывание зарядов ВВ до ведения очистныхработ и разрушение основной кровли наблоки по всему выемочному полю, согласноизобретению в скважинах на.участках неустойчивой непосредственной кровли дополнительно размещают рассредоточенныезаряды с радиусом разрушения, равным расстоянию по нормали от заряда до угольногопласта, ори этом массу (кг) рассредоточенного заряда определяют из выражения0-й Ор/1,47 у ь еР.В качестве жидкости в скважины нагнетаютколлоидный раствор.35 На фиг,1 приведена схема реализацииспособа (расположение скважин в выемочном столбе, в плане); на фиг,2 - сечение А-Ана фиг.1.Согласно чертежам, характеризующим40 один из вариантов рассматриваемого способа, приняты следующие обозначения; 1,2- штреки; 3 - угольный пласт; 4 - непосредственная кровля; 5 - труднообрушаемая основная кровля; 6 - основная скважина; 7 -45 отбойная скважина; 8 - зона упрочнениянеустойчивой непосредственной кровли; 9 зона разупрочнения основной труднообрушаемой кровли; 10 - сосредоточенные заряды; 11 - рассредоточенные заряды; 12 -50 радиус разрушения рассредоточенных зарядов,Способ осуществляют следующим образом,До начала очистных работ путем взрыв 55 ных работ и бурения скважин со штреков 1и 2 по выемочному столбу проводят разрушение труднообрушэемой основной кровлина блоки, которые равны или меньше естественного шага обрушения основной кров 5 10 1520 2530 где 0 - масса рассредоточенного заряда, кг;В - радиус разрушения рассредоточенного заряда, м;Ср - предел прочности пород неустойчивой непосредственной кровли на разрыв в месте расположения заряда, МПа;цу - коэффициент, учитывающий увеличение действия заряда на разрушение пород при отражении волн напряжений от контакта кровли с угольным пластом, равный 1,2-1,3;ь - коэффициент. учитывающий увеличение действия заряда на разрушение пород от взаимодействия и наложения ударных волн от сосредоточенных и рассредоточенных зарядов, равный 1,4 - 1,6;р - плотность коллоидного раствора по отношению к плотности воды, р = 1,1-1,3;е - основание натуральных логарифмов, е=2,71,При этом рассредоточенные заряды размещают по длине скважины на расстоянии один от другого, равном сумме их радиусов разрушения, причем взрывание сосредоточенных и рассредоточенных зарядов ведут одновременно, Отбойные скважины бурят под углом к основным скважинам в направлении, ведения очистных работ. Скважины в одном штреке бурят со смещением относительно скважин, пробуренных во другом штреке на величину, равную радиусу интенсивного трещинообразования.5 10 15 20 30 35 40 45 50 ли 5, с одновременным упрочнением неустойчивых пород непосредственной кровли 4, прилегающих к угольному пласту 3, Для чего из штреков 1 и 2 через непосредственную кровлю 4 в труднообрушаемую кровлю 5 бурят основные скважины 6 и отбойные скважины 7. Отбойные скважины 7 располагают под углом в направлении ведения очистных работ. Основные скважины 6 и отбойные скважины 7 образуют пучки скважин.Расстояние между пучками скважин принима:оттаким, чтобы зона 8 упрочнения, созданная в непосредственной кровле 4 основной скважиной б одного пучка, накладывалась на зону 8 упрочнения основной скважины 6 другого пучка, то есть чтобы расстояние между пучками было не большедвух радиусов интенсивного трещинообразования, Кроме того, пучки скважин, пробуренные со штрека 2, смещают относительно пучков скважин, пробуренных со штрека 1, на величину радиуса интенсивного трещинообразования. Это, в свою очередь, также способствует взаимному наложению зон 9 раэупрочнения основных скважин б, образованных .в труднообрушаемой кровле 5, Аналогично вокруг отбойных скважин 7. пробуренных для отработки нижнего и верхнего участков лавы под углом в сторону ведено очистных работ, образуются зона 8 упрочнения и зона 9 разупрочнения,По окончании бурения в скважины 6 и 7 нагнетают жидкос 1 ь в режиме естественной приемистости скважин. Делается. зто для того, чтобы раскрыть естественные трещины вокруг скважин 6 и 7 и промыТь их после бурения от буровой мелочи и штыба.После этого с учетом прочности пород размещают сосредоточенные заряды 10 в скважинах б и 7 в породах труднообрушаемой кровли 5. Ниже, в породах непосредственной кровли 4 размещают рассредоточенные заряды 11, удаляя их один от другого с учетом изменения прочности пород, расстояния от заряда до угольного пласта и плотности коллоидного раствора, причем расстояние между зарядами 11 принимают равным сумме радиусом 12 их разрушения. После заряжения скважины 6 и 7 заполняют коллоидным раствором и взрывают одновременно все заряды 10 и 11 в обеих скважинах эа один прием - в начале со штрека 1, а затем со штрека 2,Одновременное взрывание сосредоточенных 10 и рассредоточенных 11 зарядов в коллаидном растворе сопровождается возникновением волн напряжений в прилегающемк скважине массиве и ударных, волн. распространяющихся по скважине. При распространении ударных волн происходит их наложения в промежутках между сосредоточенными 10 и рассредоточенными 11 зарядами,При одновременном взрывании всех зарядов большая часть энергии сосредоточенного заряда 10 используется для разупрочнения труднообрушаемой основной кровли 5. Возможность увеличения массы сосредоточенного заряда 10 и более полного использования его энергии для разупрочнения пород труднообрушаемой основной кровли 5 обеспечивается созданием в момент взрыва вблизи сосредоточенного заряда 10 коллоидного раствора повышенной плотности, что ведет к резкому снижению давления на фронте ударной волны от сосредоточенного заряда 10, Повышенная плотность коллоиднос о раствора создается,например, размещением в ампулах около сосредоточенного заряда 10 забойки пасто- образной консистенции (из материала исходного для приготовления коллоидного раствора). Остальная часть энергии не поглощенная пастообразной забойкой, в виде ударный волны в коллоидном растворе распространяется по длине скважины в сторону ее устья и дополнительно используется для инъекции упрочняющего раствора в неустойчивые. породы непосредственной кровли 4. На участке размещения сосредоточенного заряда 10 упрочнение не происходит, так как большую часть сечения скважины занимает сосредоточенный заряд 10, Зазоры между зарядом и стенками скважины могут быть заполнены незначительным слоем коллоидного раствора в момент взрыва, что практически не может оказать упрочняющего действия на породы труднообрушаемой основной кровли 5.В местах расположения рассредоточенных зарядов 11 большая часть сечения скважины и промежутков между зарядами заполнена коллоидным раствором, что благоприятно сказывается на укреплении неустойчивых слоев непосредственной кровли 4 на этом участке, При этом энергия взрыва рассредоточенных зарядов 11 в основном расходуется на раскрытие трещин расслоений в неустойчивых слоях непосредственной кровли 4 для инъекции в эти трещины упрочь яющего раствора, Взрывание рессредоточенных зарядов 11 также сопровождается волнами напряжений от каждого рассредоточенного заряда 11 в отдельности, способствующими раскрытию трещин в неустойчивых слоях, и ударными волнами, направленными как в сторону забоя, так и к устью скважины. Взаимодействие ударных волн в коллоидном растворе приводит к сни 173712110 15 20 25 30 35 40 45 50 55 жению пикового давления в начальный момент взрыва, увеличению времени воздействия продуктов взрыва на стенки скважины, способствует равномерному распределению и раскрытию дополнительных трещин и иньекции в них раствора, Кроме того, коллоидный раствор способствует снижению давления на фронте ударной волны и уменьшает разрушительное действие продуктов взрыва на слабые слои непосредственной кровли 4 и запирающую арматуру скважины. Взрывание в коллоидном растворе способствует снижению сейсмических колебаний от сосредоточенного заряда 10 и разрушающих действий на устойчивость непосредственной кровли 4.Таким образом, коллоидный раствор используется при одновременном взрывании сосредоточенных 10 и рассредоточенных 11 зарядов не только в качестве упрочняющего раствора, но и создает условия управления энергией взрыва по длине скважины, Снижение давления на фронте ударной волны зависит от плотности коллоидного раствора. Количественное значение эффекта влияния плотности коллоидного раствора можно определить по выражению(1).Исследованиями при проведении шахтных испытаний данного технического решения установлено, что снижение давления на фронте ударной волны пропорционально увеличению плотности коллоидного раствора по сравнению с водой и определяется зависимостьюР= Ро е" , (1) где Р - давление на фронте ударной волны в скважине, заполненной коллоидным раствором, МПа;Ро - давление на фронте ударной волны в скважине, заполненной водой, МПа; р- плотность коллоидного раствора по отношению к плотности воды;е- основание натуральных логарифмов, Давление Ро (МПа) на фронте ударной волны при заполнении скважины водой на определенном расстоянии от заряда рассчитывают по известным зависимостям, в частности по выраженинР =53,3 (а/В) з 77, (2) где О - величина заряда, кг;й - расстояние от заряда, м.Соответственно выражение для оценки давления Р (МПа) на фронте ударной волныимеет видР -53,3 (0 В)о.зпе 1 1,гу (3Для создания равномерной инъекции укрепляющего коллоидного раствора под действием ударной волны на участке скважины между рассредоточенными зарядами 11 экспериментально при одновременном взрывании сосредоточенного 10 и рассредоточенных 11 зарядов установлено необходимое соблюдение следующего условия при выборе плотности раствора при принятых зарядах или расстояниях между зарядами,Известно, что среднее давление на фронте ударной волны, распространяющиеся по скважине, необходимое для гидроразрыва неустойчивых слоев непосредственной кровли 4 с равномерным распределением по длине участка укрепления горизонтальных и вертикальных трещин для инъекции в них укрепляющего раствора, должн 6 бытьРгр Кд(у Н + Ор), (4) где Ргр - давление гидрораэрыва, МПа;Кд - коэффициент, учитывающий динамический характер воздействия ударной волны на массив (в зависимости от трещиноватости и раскрытости трещин изменяется в пределах 1,5-2,0);Н - глубина ведения работ,м;у - объемный вес пород. у = 0,025 МН/м;бр - сопротивление неустойчивых пород непосредственной кровли разрыву. МПа.Соответствие плотности раствора, значений величин зарядов и расстояний между рассредоточенными зарядами 11 условиям равномерного упрочнения неустойчивых пород проверяется иэ сопоставления выражений (3) и (4),53,3(ИЯ)еР=Кд(у Н+бр), МПа (5)Таким образом, выбор плотности укрепляющего коллоидного раствора определяется; помимо естественной и созданной в результате камуфлетного взрыва приемистости массива неустойчивых слоев непосредственной кровли 4, с учетом возмож-. ности гашения в скважине давления на фронте ударной волны до требуемого значения, обеспечивающего равномерное упрочнение пород.Из анализа выражений (1) и (3) следует, что дополнительное полезное использование энергии взрыва от сосредоточенного заряда 10 при одновременном взрывании его с рассредоточенными зарядами 11 составляет около ЗО ,Рассмотренные признаки предлагаемого технического решения (одновременное взрывание сосредоточенного 10 и рассредо-. точенных 11 зарядов, заполнение скважины коллоидным раствором) являются необходимыми приемами, но недостаточными для достижения цели изобретения. Для дости(6) жения цели необходимо, крол 1 е перечисленных признаков, расположить рэссредоточенные заряды 11 в породах непосредственной кровли 4 с учетом изменения ее прочности, мощности, массы зарядов, плотности коллоидного раствора и влияния других факторов, сопутствующих реализации дэнного технического решения.Обобщающим признаком этих свойств является расстояние между смежными зэрядами, которое должно бы гь рэвным сумме радиусов 12 разрушения пород непосредственной кровли 4.Радиус 12 рэзрушения рассредоточенных зарядов 11 определяется с учетом механизмэ, аозникэющего при одновременном взрывэнии сосредоточенных 10 и рэссредоточенных 11 зарядов и обусловливэющегодополнительное воздействие нэ упрочняемый массив зэ счет управления и .использования энергии взрыва не только рассредоточенных 11. но и сосредоточенных 10 зарядов,Исследования, проведенные при рэзрэботке технологии способа управления кровлей, показали, что во иэбежэние снижения устойчивости нижних слоев непосредственной кровли 4, рэсполэгэющихся нэ контакте с пластом угля, заряд необходимо рэсполэгать нэ,удэлении от пласта, большем рэдиусэ 12 разрушения пород, который образуется при взрывэнии такой же мэссы в трещиновэтой немонолитной породе, При наличии неэнэчительной мощности неустойчивых пород непосредственной кровли 4 в пределах 1,5-4 м установлено, что нэ величину образовавшегося радиуса 12 рэзрушения оказывает влияние отражение волн напряжений от контакта породы с угольным пластом, которые воэникэют кэк от непосредственного воздействия рассредоточенного заряда 11, тэк и от образовавшихся в результате наложения ударных волн от сосредоточенного 10 и рэссредоточенных 11 зарядов,Экспериментально установлено, что увеличение действия рассредоточенного зэряда 11 нэ разрушение пород посредственной кровли 4 с угольным пластом составляет 1,2-1,3 и изменяется пропорционально отношению акустической жесткости сред: породы и угля. Поэтому минимально допустимое расстояние эарядэ данной массы, расположенного в скважине, до угольного плэстэ определяется выражением 25 30 35 40 45 50 55 где.Н - расстояние от зэрядэ, рэсположсн ного в сквэжине, до контэктз кровли с уголь ным пластом. м;0мэссэ заряда, кг:Ор - прочность пород нэ разрыв о месте расположения заряда, МПэ:у - коэффициент, учитывэющий увели чение действия зэрядэ нэ рэзрушение по. род зэ счет отражения волн напряжений до контакта пород с угольным плэстол 1.Дополнительно возникшие волны напряжений от наложения ударных волн со. средоточенного 10 и взэимодействия рэссреедоточенных 11 зарядов увеличивают радиус 12 разрушения с учетом их отражения от угольного пласта (при заполнении скважины водой) пропорционально массе заряда, увеличенной в 1,4-1,6 раза, э при взрывэнии в коллоидном растворе их воздействие нэ массив обусловлено и плотностью раствора;Нэ основэнии шахтных экспериментов при принятой технологии реализации дэнного технического решения, то есть при одновременном вэрывэнии сосредоточенного 10 и рассредоточенных 11 зэрядов в коллоидном растворе, получена зависимость для определения массы (кг) заряда0= В бр/1,47 77 у77 ь е, (7) где 0 - масса рассредоточенного заряда, кг;Й - радиус разрушения рассредоточенного заряда,м;бр - предел прочности пород неустойчивой непосредственной кровли нэ рэзрыв в месте расположения заряда, МПэ;у - коэффициент, учитывающий увеличение действия заряда нэ разрушение пород при отражении волн напряжений от контакта кровли с угольным пластом, равный 1,2-1,3;уь - коэффициент, учи ты вэющий увеличение действия заряда нэ рэзрушение пород от воздействия и наложения ударных волн от сосредоточенных и рассредоточенных зэрядов, равный 1,4 - 1,6;р - плотность коллоидного рэстворэ по отношению к плотности воды, р = 1,1-1,3;е - основание натуральных логарифмов. е=2,71.Этэ зависимость обеспечивает выбор параметров, позволяющих избежать излишнего или недостаточного разрушение пород непосредственной кровли 4, и требуемого давления нэ фронте ударной волны для инъекции укрепляющего раствора определенной плотности. При этом ликвидируется вредное влияние нэ устойчивость непосредственной кровли 4 сейсмических колебаний иудэрных волн, возникших при рэзупрочне 1737121 1210 15 20 30 35 40 45 50 55 нии основной труднообрушаемой кровли 5 от взрывания сосредоточенных зарядов 10, Энергия взрыва дополнительно используется для упрочнения неустойчивых пород непосредственной кровли 4 путем раскрытия в них трещин и инъекции коллоидного раствора, что увеличивает зону упрочнения при меньшей величине рассредоточенных зарядов 11.На эффективность применения предлагаемого способа управления кровлей существенное влияние оказывает, выбор оптимальной схемы расположения скважин с учетом условий залегания пласта.Как показали шахтные эксперименты по реализации данного технического решения, для пластов мощностью до 1,2 м при мощности непосредственной кровли 4 не более 3 м и разупрочняемой мощности труднообрушаемой основной кровли 5 не более 6-10 м длина основных скважин б принимается равной 0,7 длины лавы, В этих условиях обеспечивается наиболее полное использование длины скважины для разупрочнения труднообрушаемой основной кровли 5 и упрочнения неустойчивой непосредственной кровли 4. При этом пучки скважин б и 7, пробуренные из штреков .1 и 2, смещены один относительно другого на величину радиуса интенсивного трещинообразования, что дает возможность создать эффект взаимного экранирования скважин при вэрывании в них сосредоточенных зарядов 10, Так, расположение скважин по приведенной схеме при последовательном взрывании их то со штрека 1, то со штрека 2 позволяет использовать предыдущую взорванную скважину в качестве экрана, что дает воэможность увеличить действие указанной массы зарядов в 1,3, раза или соответственно увеличить расстояние между скважинами,Расчетами и экспериментально при реализации данного технического решения установлено, что масса сосредоточенного заряда 10 при взрывании в скважинах, заполненных коллоидным раствором для эффективного разрушения пород труднообрушаемой основной кровли 5 с максимальным использованием энергии взрывчатого вещества (беэ выброса или при незначительном выбросе продуктов взрыва иэ скважины), не должна превышать 1-3 кг иа метр при общей длине заряда не более 1/3 длины скважины.Радиус 12 разрушения каждого рассредоточенного заряда 11 и, соответственно, массу этого заряда О определяют, используя выражение Р) и исходя из расстояния скважины над пластом, прочности пород непосредственной кровли 4, с соблюдением тенденции возрастания массы рассредо-. точенного заряда 11 от устья скважины в направлении ее забоя, Массы рассредоточенных зарядов 11 в зависимости от их удаления от устья скважины принимают применительно к приведенным условиям (фиг.1) равными 0.6-3 кг,Радиус интенсивнОго трещинообразования в труднообрушаемой основной кровле 5 равен 5-8 радиусам разрушения, в породах непосредственной кровли 4, отличающейся большей трещиноватостью, 3 - 6 радицсам разрушения, что при принятых массах зарядов составляет соответственно 5 - 8 и 4 - 7 м, При прочности пород на растяжение труднообрушаемой основной кровли 5, равной 10 МПа, и непосредственной кровли 4, равной 3 МПа, расстояние между основными скважинами 6 по принятой схеме (фиг.1) принимается равным 16 м. В качестве коллоидного раствора можно применять упрочняющие растворы различных консистенции и состава, например из магнезиальных вяжущих, различного типа цементов, бентонитов с добавками и др, При низкой проницаемости упрочняемых пород для приготовления коллоидных растворов в качестве основного компонент применяется вибромолотый цемент.формула изобретения 1. Способ управления труднообрушаемой кровлей в очистных забоях, включающий бурение из штреков основных и отбойных скважин в породы основной кровли, заряжание их сосредоточенными зарядами ВВ, заполнение скважин жидкостью,взрывание зарядов ВВ до ведения очистных работ и разрушение основной кровли на блоки по всему выемочному полю, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности управления труднообрушаемой основной и неустойчивой непосредственной кровлей, в скважинах на участках неустойчивой непосредственной кровли дополнительно размещают рассредоточенные. заряды с радиусом разрушения, равным расстоянию по нормали от заряда до угольного пласта, при этом массу рассредоточенного заряда определяют из выраженияО=Я Ср/1,47 дудь е .Р, кг, где О - масса ргссредрточенного заряда, кг;В - радиус, разрушения рассредоточенного заряда, м;Ор - предел прочности пород неустой-, чивой непосредственной кровли на разрыв в месте расположения заряда, МПа;ду - коэффициент, учитывающий увеличение действия заряда на разрушение по1737121 14 13 ФЦ 8, Г Составитель В,ТычинаТехред М.Моргентал Корректор Н.Корол едактор А.Маковск акаэ 1876 ВНИИП Тираж ПодписноеГосударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж. Раушская наб 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 1 род при отражении волн напряжений от контакта кровли с угольным пластом, равный 1,2 - 1,3;дь - коэффициент, учитывающий увеличение действия заряда на разрушение пород от взаимодействия и наложения ударных волн от сосредоточенных и рассредоточенных зарядов, равный 1,4-1,6;р - плотность коллоидного раствора по отношению к плотности воды, р = 1,1 - 1,3;е - основание натуральных логарифмов, е=2,71, при этом рассредоточенные заряды размещают по длине скважины на расстоянии друг от друга, равном сумме их радиусов разрушения, причем взрывание сосредоточенных и рассредоточенных зарядов ведут одновременно.2, Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что отбойные скважины бурят под уг лом к основным скважинам в направленииведения очистных работ.3. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что скважины в одном штреке бурят со смещением относительно скважин, про буренных в другом штреке, на величину,равную радиусу интенсивного трещинообразования.4, Споеобпо п 1,отл ич а ю щи йс ятем, что в качестве жидкости в скважины 15 нагнетают коллоидный раствор.