Способ профилактической обработки горного массива и устройство для его осуществления

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Сфюэ СоветскихСеналнстнчесннхРеспублик вц,911048 К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(23) Приоритет Государственный комитет СССР по йелам изобретений и открытийОпубликовано 07,03.82. Бюллетень 89 9 Дата опубликования описания 07. 03. 82Восточный научно-исследовательский институтпо безопасности работ в горной промышленности(71) Заявитель 54) СПОСОБ ПРОФИЛАКТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ГОРНОГО МАССИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГООСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1 2Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для предотвращения газодинамических явлений, например внезапных выбросов угля и газа, горных ударов и т.д. при подземной разработке месторожденийполезных ископаемых.Известен способ профилактической обработки пластов прочного угля, 10 заключающийся в воздействии сначала напорного, а затем импульсного режима нагнетания, автоматически чере- . дуемых по мере изменения гидравлического сопротивления пласта 1).Известный способ характеризуется следующими недостатками: при автоматическом чередовании напорного и импульсного режимов нагнетания возможно рассогласование физико-механических свойств угольного массива и значения давления нагнетаемой жидкости, в результате чего возможно локальное.разрушение массива, что снижает эффективность увлажнения и увеличивает опасность горных работу импульсный режим нагнетания целесообразен лишь для пластов прочного угля при использовании коротких скважин. В противном случае, эа счет потери энергии на преодоление сил трения, обуслов З 0 ленных вязкостью жидкости, неровностями поверхности .скважин.и т.д., импульсы быстро затухают и несоздают ожидаемого эффекта.Наиболее близким к изобретению является способ профилактической обработки горного массива, предназначенный для предварительного увлажнения угля в массиве, включаквий бурение скважин, их герметизацию и нагнетание через них жидкости при подьеме давления до порогового значения, оптимальное значение которого опре-е деляется посредством опытного нагнетания при различных давлениях Г 2 3. Этот способ имеет следующие недостатки: после опытного нагнетания для определения оптимального значения давления скважина является непригодной для последующего использования, поскольку в ней произведен гидрораэрыв;вследствие неоднородности фильтрационных свойств на различных участках одного и того же пласта оптимальные значения давления могут существенно отличаться, поэтому необходимо испытывать, а, следовательно, и разрывать все скважины, что является неприемлемым; большие затраты времени на обработку массива. Такимобразом, известный способ имеет невысокую э, Ьективность и связан с большими затратами времени и средств.Для осуществления известных способов используются устройства, включающие герметизатор скважины, высо конапорный насос с контрольно-измерительной аппаратурой и напорную магистраль. При необходимости в устройство входит также повыситель дав- . ления или источник импульсов давле ния 3.Однако указанные устройства не имеют автоматизированного управле.ния параметрами нагнетания в зависимости от фильтрационно-коллекторских 15 свойств пласта.Наиболее близким к изобретению является устройство для непрерывного автоматического сейсмоакустического измерения изменений динамичес кого шума породного массива, которое, в принципе, можно использовать для управления насосной установкой, хотя назначением его является регистрация с помощью электрической пишущей машинки динамического шума породного массива для дальнейшего изучения напряженно-деформированных и неустойчивых состояний породного массива. Известное устройство содержит геофоны, .к которым последовательно по двум изыврительным каналам подключены буферные ступени, аттенюаторы, усилители, низкочастотные фильтры,6 азделительные усилители,блоки формирования сигналов, регуляцион-З 5 ные контуры для выбора амплитудного уровня, детекторы, опрокидывающиеся схемы Юмидта, счетчики, блок индикации .и блок записи, а также блок управления с выходом на.концевые меха низмы. Оборудование производит анализ с помощью автоматической цифровой .записи частоты сейсмоакустических импульсов в выбранном интервале времени. 4 . 45Недостатки известного устройства - отсутствие цепи обратной связи, позволяющей изменять воздействие на контролируемую зону пласта; в уст ройстве применена частотная селекция сигналов на фоне помех с помощью фильтра низких частот, а также амплитудная селекция, осуществляемая регуляционными контурами Известно, что .импульсный сигнал помехи имеет очень широкий спектр частот, поэто" му обеспечить защиту от помех частотной селекцией практически невозможно. Амплитудная селекция защищает лишьот помех, амплитуда которых 60 меньше порогового напряЖения. При . Увеличении порогового напряжения уменьшается количество сигналов помех, но при этом снижается и радиус действия аппаратуры, поскольку из 65 обработки исключаются сигналы акустической эмиссии, обусловленные динамическими явлениями, происходящими в удаленныхОт мест установки геофонов участках.Цель изобретения - повышение эффективности профилактической обработки горного массива и снижение продолжительности ее путем автоматического выбора режима нагнетания в зависимости от изменения фильтрационно"коллекторских свойств горного массива.Поставленная цель достигаетсягем, что в процессе нагнетания жидкости определяют изменение акустической эмиссии в постоянный интервал времени в зависимости от давления жидкости, причем подъем давления жидкости осуществляют ступенями, а при увеличении приращения акустической эмиссии до порогового значения давление снижают до предыдущей ступени и повторно осуществляют контроль, причем за пороговое значение принимают среднюю величину приращения акустической эмиссииДля осуществления .способа предлагается устройство для ;:профилактической обработки горного массива, содержащее насосную установку с гидромагистралями и герметизаторами, скважин, геофоны, последовательно соединенные блоки усилителей, фильтров и Формирования сигналов, и блоки управления режимом и приводом насоса. Устройство содержит последовательно соединенные блок пространственной селекции и блок анализа зависимости акустической эмиссии от давления нагнетания, включенные между блоками формирования сигналов и блоком управления приводом насоса, а к ним и к блоку управления приводом насоса параллельно подключен блок управления режимом.На фиг.1 показана блок-схема устройства,на фиг.2 - функциональная схема блока пространственной селекции; на Фиг.З - функциональная схема блока анализа зависимости акустической эмиссии от давления нагнетания; на Фиг.4 - график изменения давления нагнетания во времени в зависимости от приращения акустической эмиссии.Процесс нагнетания жидкости начинают с включения двигателя насоса , без подачи .жидкости в загерметизированнуюскважину. Добившись максимальных оборотов двигателя насоса, регулируют коэффициент усиления, частоту среза фильтров верхних частот и зону нечувствительности звеньев нечувствительности для обеспечения защиты от непрерывных помех, а также проверяют работоспособность блока пространственной селекции.текущих значений приращений акустической эмиссии (ЬА ) в контролируеМом интервале меньшем чем.ЬАк переходят на следующую, более высокую,ступень давления. Если в какой-либомомент времения на контролируемоминтервале дЛ сЮк необходимо сразупереходить иа более низкую ступеньдавления. Если повторный контрольна данной ступени покажет, что Ь А с( ЬАк, то снова .переходят на следую,щую, более высокую, ступень давления, а если ЬА-( достигает ЬА, то давление еще снижают на одну ступень.Таким образом, предлагаемыйспособ позволяет быстро выйти на режим нагнетания, соответствующий предельным значениям фильтрационноколлекторских свойств горного массива и избежать нежелательного гидравлического разрыва пласта.Устройство для осуществления указанного способа содержит геофоны 1 и 1 , которые улавливают сигналы акустической эмиссии, возникающие в массиве (см. фиг.1 ). Геофоны размещают по оси короткого шпура, пробуренного в забое выработки. Такое размещение позволяет в дальнейшем фиксировать только сигналы, поступающие из массива за плоскостью 1-2, проходящей через середину расстоя-.ния между геофонами. Сигналы с выходагеофона усиливаются усилителями 2 354045556065 Нагнетание жидкости в массив начинают с минимального давления, например, .с 10 кгс/см. На кривой изменения давления нагнетания во времени 1 начальный период длится интервал времени равный- Ф где 1 -5 время включения режима лоинтервального повышения давления; то - время включения насоса в работу (.см.фиг.4). С момента времениповышение давления осуществляют ступенями, например по 10 кгс/см, и одновременно фиксируют акустическую эмиссию в зоне массива, подвергаемой профилактической обработке. На протяжении интервала контроля ЬФ, давление нагнетания поддерживают посто яниым и выделяют количество сигна-.яов, поступающих из массива. Для выявления закономерности измененияакустической эмиссии. необходимо нарабочем участке характеристики насоса задать несколько интервалов контроля и определить среднюю величину приращения акустической эмиссии в интервале контроля, на основании которой выбирается пороговое значение приращения акустической эмиссии (ЬАК). Дальнейшее изменение режима нагнетания жидкости осуществляютс учетом временных зависимостей контрольного (кривая П) и текущего (кривая 91) поынтервального изменения акустической эмиссии. При значениях и 2 и поступают на фильтры высоких частот 3 и 3 , которые подавляют наиболее интенсивные спектральные составляющие непрерывных помех, обусловленных работой насоса,шахтных транспортных, выемочных и других машин и механизмов. Подавление этих помех осуществляется за счет того, что в спектре сигналов акустической эмиссии, возникающих при образовании новых, углублении и расширении старых трещин, имеются более высокочастотные составляющие, чем при работе указанных машин и механизмов. Сигналс выхода фильтров поступает на входзвеньев нечувствительности 4 и 4которые служат для амплитудной селекции полезных сигналов на фоне непрерывных помех. Необходимость взвеньях нечувствительности определяется тем, что фильтры 3 и 3 не могут/полностью подавить сигналы непрерывных помех. Кроме того, в результатенепрерывных небольших подвижек в гор-ном массиве с выхода геофонов постоянно снимается фоновое напряжение,имеющее высокочастотные составляющиенебольшой амплитуды. К фону относятся также сигналы, возникающие врезультате воздействия на геофоныпереотраженных от различного роданеоднородностей массива волн, которые вследствие затухания имеют меньшую, по сравнению с первичной волной,амплитуду, Выходной сигнал звеньевнечувствительности поступает на входы схем формирования сигналов, которые состоят из блоков двухполупериодных выпрямителей 5 и 5 и одновиб/ раторов б и б .Блоки 5 и 5 преобразуют двухпо-: лярный входной сигнал в однополярный двухуровневой сигнал, согласованный с последующими логическими элементами схемы. Двухполупериодное выпрямление позволяет сохранить информацию о времени вступления сигнала акустической эмиссии вне зависимости от его полярности. Импульсные сигналы блоков 5 и 5управляют работой одновибраторов с повторным запуском б и б, которые при поступлении на вход импульса перебрасывается в противоположное исходному состояние и удерживаются в нем, если длительность паузы между входными импульсами не превышает, например, 0,01 с, поскольку, как показали исследования, один акт образования новых, удлинения или расширения старых трещин сопровождается высокочастотными составляюшими, которые в течение единичного акта акустической эмиссии могут прерываться на интервал времени в 0,005 - 0,007 с. В противном случае схема возвращается в исходное состояние. Таким образом формируется импульс на каждый единичный акт трешинообразования, сопровождающибсягармоническим,амплитудно-частотно-модулированным затухающим процессом. С выходов одновибраторов сигналы поступают на входы бло ка пространственной селекции 7, где за счет разности времени прихода импульса от источника на разнесенные геофоны 1 и 1 выделяются только импульсы, поступающие от,источников, находящихся в массиве за плоскостью 1-1.С выхода блока пространственной селекции сигналы поступают в блок 8 анализа зависимости акустической эмиссии от давления нагнетания, где осуществляется формирование интервала контроля, определяется .контроль.ное значение приращения акустической эмиссии, производится сравнение текущего значения приращения с пороговьпа и вырабатываются управляющие импульсы для бЛока управления приводом.9, который оказывает воздействие на насосную установку 10, обеспечивая ступенчатое. изменение давления нагнетания. В момент включения режима поинтервального повышения давления блок управления 11 режимом, включенный параллельно блокам 7 - 9, вырабатывает импульс, которым логические элементы этих блоков устанавливаются в исходное состояние. Блок управления приводом может включать реверсивный счетчик .импульсов, цифровой код которого преобразуется с помощью цифроаналогового преобразователя в напряжение, которым управляется, например, тиристорный преобразователь частоты, питающий двигатель насосной установки. Блок индикации 12 предназначен для контроля за работой основных блоков устройства. Нагнетание жидкости в массив производят с, помощью скважины через герметизатор 13.Блок пространственной селекции(см. фиг.2) состоит из двух тригге- ров 14 и 14, подключенных к логическим схемам ИЛИ-НЕ 15, И 16 .и ИЛИ 17. Установка триггеров в исходное состояние осуществляется одно- вибратором 18, который запускается через схему ИЛИ 17 от блока управления режимом.Функциональная схема блока анализа зависимости акустической эмиссии от давления (смфиг.3) включает счетчик импульсов 19, схему сравнения 20, коммутатор 21, регистр 22, подсоединенный к схеме сравнения, последовательно соединенные логический элемент И 23, делитель частоты 24 и счетчик контрольного значенИя приращения акустической эмиссии 25, каскады формирования интервала контроля 26, выработки. импульса записи 27 и выработки внутриинтервального импульса установки нуля 28,триггер управления счетчиком интервалов контроля 29, логический элемент И 30, счетчик интервалов контроля 31, дешифратор 32 и триггер управления формированием порогового 5 значения приращения 33, образующиепоследовательную цепь и подсоединенные к логическим элементам И 30, 23и 34. К каскаду 28 и элементу И 34подключены счетчик текущего значенияприращения 35 и схема сравнения 36с выходом на блок управления приводом 9.Предлагаемое устройство работаетследующимобразом.Нагнетание жидкости в пласт, например, с целью предотвращения внезапного выброса угля и газа, можетосуществляться насосной установкойтипа УНР или УН. Герметизацияскважины может производиться герметизатором ТГ. После окончаниярежима запуска начинается режим поинтервального повышения давления иначинается регистрация с помощьюгеофонов 1 и 1 акустической эмиссиив,обрабатываемом массиве. При этомблок управления режимом 11 вырабатывает импульс, которым логическиеэлементы блоков 7 - 9 устанавливаются в исходное состояние. Одновремен 30 но включается каскад формированияинтервала контроля 26, который черезравные промежутки времени (интервалы контроля) вырабатывает управляющиеимпульсы. Эти управляющие импульсы35 периодически поступают в блок управления приводом 9, который оказываетвоздействие на насосную установку 10,обеспечивая ступенчатое повышениедавления нагнетания. С началом каж дого интервала контроля каскад выработки импульса записи 27 вырабатывает короткий импульс, которым открывает коммутатор 21, и двоичныйкод счетчика импульсов 19 переписы вается в регистр 22. Задним Фронтомимпульса каскада 27 запускается каскад выработки внутриинтервальногоимпульса установки ф 0" 28, которыйв начале каждого интервала контроля 50 устанавливает соответствующие каскады 8 в исходное состояние, В начале первого е момента включения режима поинтервального повышения давления нагнетания интервала контроля вкаскадах 19 и 28 записаны нули, поэтому схема сравнения 20 фиксируетравенство поступающих на ее входыцифровых кодов и устанавливает .насвоем выходе логическую единицу доначала следующего интервала контрое 0 ля. В случае, если в первые несколько интервалов контроля повышениядавления не фиксируются акустические сигналы, схема сохраняет вышеописанное состояние. Появление сиг-65 нала регистрируется обоими геофонами 1 и 1 и передается до блока 7по параллельным цепям. В блоках 2б происходит. подавление помех и выделение полезных сигналов. Работа этих блоков осуществляется по вышеописанным принципам. Ло5поступления сигналов в блок пространственной селекции 7 блок управления режимом вырабатывает импульс,который, пройдя схемы ИЛИ 17 блока7, запускает одновибратор 18. Одновибратор устанавливает триггеры 14и 14. в исходное состояние, приэтом схема И 16 открыта по одномувходу высоким уровнем напряжения,снимаемого с инверсного выхода триггера 14 . Поэтому, если вначале сигнал акустической эмиссии приходитна геофон 1, он проходит через схемуИ 16 для дальнейшей обработки.Если же сигнал вначале достиг гео- Яфона 1, триггер 14 перебрасываетсяв противоположное состояние, обеспечивая закрывание схемы И 16. Циклработы блока пространственной селекции 7 заканчивается, когда сигналакустической эмиссии минует точкиустановки геофонов. При этом с инверсных выходов и входов установкив "1 ф обоих триггеров 14 и 14 сни/маются низкие уровни напряжения,30что приводит к появлению высокогоуровня напряжения на выходе схемыИЛИ-НЕ 15. Этот высокий уровеньнапряжения проходит схему ИЛИ 17 изапускает одновибратор 18,заднимфронтом импульса котороготриггеры14 и 14 перебрасываются в противоположное состояние, чем обеспеЧивается переход в исходное состояниевсех уэлов блока пространственной селекции. 40Выделенный полезный сигнал акусти-,ческой эмиссии иэ блока 7 поступаетв блок 8 и одновременно в блок индикации 12. В блоке 8 срабатывает триггер управления счетчиком интерваловконтроля 29, при этом открываетсяпо одномувходу схемы И 30, и последующие импульсы из каскада 27 посту"пают на вход счетчика интерваловконтроля 31, В то же время схема И 23 0открыта по двум входам сигналами логической единицы схемы сравнения 20и триггера управления Формированием.контрольного значения приращенияакустической эмиссии 33. Поэтому вовремя интервала контроля, к которомуприходит первый импульс акустическойэмиссии, все импульсы блока 7 поступают в счетчик 19 и через делительчастоты 24 в счетчик контрольногозначения приращения (ьА) 25. с началом следующего интервала контролядвоичный код счетчика импульсов 19переписывается в регистр 22 и каскады 19 и 20 устанавливаются в нулевое оостояниеСчетчик импульсов 19 65 продолжает подсчет импульсов, и в момент времени, когда цифровые коды счетчика импульсов 19 и регистра 22 сравниваются, схема сравнения 20 установит на своем выходе сигнал логической единицы и последующие в данном интервале контроля сигналы акустической эмиссии поступают через делитель частоты 24 на вход счетчика контрольного значения приращения 25. Таким образом, в течение, например, й+1 интервалов контроля на вход делителя частоты поступают все импульсы, порядковый номер которых превышает значения, подсчитанные счетчиком импульсов 19 в предыдущие интервалы контроля. После того, как на вход счетчика интервалов контроля 31 поступит й импульсов, что соответствует заданному повышению давления нагнетания, например, до 70 от давления, соответствующего гидроразрыву для данного пласта, дешифратор 32 устанавливает на своем выходе сигнал логической единицы, который триггер 33 перебрасывает в противоположное состояние и схема И 23 оказывается з;.крытой. Коэффициент деления делителя частоты 24 выбирают несколько меньше чем И+1, поэтому на счетчике контрольного значения приращений акусвической эмиссии 25 формируется код порогового значения, взятый с доверительныминтервалом. В последующие интервалы контроля импульсы акустической эмиссии, порядковый номер которых превышает значение, подсчитанное в предыдущем интервале и записанное в регистр 22, поступает через схему И 34 на счетчик текущего значения приращение 35.Схема сравнения 36 производит сравнение кодов счетчика 35 с кодом счетчика 25 и выдает разрешение в блок 9 о переходе на следующую более высокую ступень давления нагнетания. Если в какой-либо. момент эти коды сравнялись, то на выходе схемы 36 появляется сигнал логической единицы, который поступает в блок управления приводом 9, вследствие чего. насосная установка 10. снижает давление до предыдущей ступени. Одновременно сигнал из блока 9 поступает в каскад 26, обеспечивая включение .следующего интервала контроля, и на коммутатор 21, запрещая запись в регистр 22 кода счетчика импульсов 19, тем самым сохраняя в регистре опорноезначение акустической эмиссии, измеренное в интервале контроля, не сопровождающейся началом гидравлического разрушения .массива. Если яа следующем интервале контроля текущее значение приращения акустической эмиссии не сравнивается с пороговым значением, то блок 8 выдает сигнал блоку 9 о подъеме давления нагнетания на очередную "тупень, Если снова зти значения сравняются, то выдается сигнал на снижение давления еще на одну ступень. Обработка массива заканчивается, когда на предельном режиме ра боты устройства массив не принимает жидкость, что свидетельствует о его насыщении,РИспользование предлагаемого способа профилактической обработки горного массива и устройства для его осуществления позволяет снизить затраты времени на нагнетание жидкости, повысить надежность профилактических мер и снизить затраты средств на обслуживание за счет автоматизации процессов контроля и управления. Кроме того, изобретение позволяет производить нагнетание в режиме оптимальной фильтрации, т.е. не допуская гидроразрыва пласта, причем с быстрой автоматической перестройкой параметров нагнетания для согласования с физико-механическими свойствами наиболее склонного к гидрорызрыву в каждый текущий момент времени локального участка обрабатываемого массива.Формула изобретения1. Способ профилактической обра-, ботки горного массива, включающий нагнетание жидкости в массив при подъеме давления до порогового значения, о т л и ч а ю щ и й ся тем, что, с целью повышения эффективности и сокращения продолжительности обработки путем автоматического выбора режима нагнетания в зависимос(ти от изменения фильтрационно-коллекторских свойств горного массива,Ьопределяют изменение в интервалевремени акустической эмиссии увлажняемой зоны массива в зависимости о":давления жидкости при ступенчатомподъеме давления на каждом интервале, а при достижении текущим значением приращения акустической эмиссиипороговой величины давление снижаютдо предыдущей ступени и повторноосуществляют контроль, причем за пороговое значение принимают среднюювеличину приращения акустическойэмиссии,2. Устройство для осуществленияспособа по п. 1,содержащее насоснуюустановку с гидромагистралями и. герметизаторами скважин, геофоны и последовательно соединенные блоки усилителей, фильтров, формирования сигналов и блоки индикации, управленияМ режимов и приводов насоса, о т л ич а ю щ е е с я тем, что оно содержит последовательно соединенныеблок пространственной селекции и .блок анализа зависимости акустической эмиссии от давления, включенныемежду блоками Формирования сигналови блоком управления приводом насоса,а к ним и к блоку управления приводом насоса параллельно подключенблок управления режимом.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 174586, кл. Е 21 С 5/02, 1964.2. Авторское свидетельство СССРР 175468, кл. Е 21 С 5/02,1964 (прототип)3. Авторское свидетельство СССРР 296892, кл, Е 21 С 5/02, 1969.4. Авторское свидетельство СССР40 Р, 402840, кл. С 01 Ч 1/24,1971 (про тотип).