Способ подготовки угольных пластов к отработке

Способ подготовки угольных пластов к отработке

Реферат

 

Способ относится к горному делу и может быть использован для подготовки угольных пластов к отработке. Способ включает в себя проходку горных выработок, проведение пластовых скважин, их герметизацию, нагнетание в пласт через скважины рабочей жидкости в статическом режиме, гидроимпульсное воздействие на пласт, подключение скважин к дегазационному трубопроводу и разупрочнение пласта непосредственно перед началом очистной выемки. Задача изобретения - повышение безопасности подготовительных и очистных работ. При проходке начальной выработки проводят нисходящие скважины за контуры будущих выработок, до подключения к дегазационному трубопроводу нагнетают в них в качестве рабочей жидкости энерговыделяющую систему, которую инициируют после заполнения сети трещин. Затем вблизи будущих выработок проводят горизонтальные дегазационные скважины, а гидроимпульсное воздействие на массив осуществляют через дополнительные скважины, проводимые в действующем очистном поле. В качестве энерговыделяющей системы используют смесь нитрата аммония, воды и глицерина, а инициирование этой системы осуществляют при давлении жидкости не менее 12 МПа. 2 з.п.ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности - к угольной, и может быть использовано для подготовки преимущественно крутых и крутонаклонных угольных пластов к отработке путем предварительного воздействия на разрабатываемый пласт, интенсификации процесса дегазации и снижения газообильности горных выработок, предотвращения внезапных выбросов газа и угля, разупрочнения угольного массива, снижения запыленности воздуха и отложений пыли по выработкам, уменьшения вероятности возникновения эндогенных пожаров и взрывов газа и угольной пыли. Кроме того, изобретение может быть использовано при подготовке к отработке мощных пологих пластов с выпуском угля подкровельной толщи.

Известен способ подготовки крутых и крутонаклонных пластов, основанный на физико-химическом воздействии на угольный массив активными средами (растворами, газами) с последующим взрыванием зарядов ВВ с целью разупрочнения пласта в призабойной зоне (А.А. Кузнецов, Ю.М. Карташов. "О технологиях выемки угля из крутых пластов на основе физико-химических воздействий". Научные сообщения ИГД им. А.А. Скочинского, вып. 308, 1998, с. 163-172).

Недостатки этого способа состоят в том, что, во-первых, используется небезопасный буровзрывной метод подсечки путем взрывания зарядов ВВ, размещенных в шпурах (скважинах), пробуренных веерообразно из подсечного штрека, а также то, что при взрывании зарядов ВВ в месте их расположения уголь разрушается с образованием большого количество пыли; во-вторых, отсутствует предварительная дегазация угольного массива; в-третьих, разупрочняющий раствор состоит из воды и трех компонентов (ПАВ, соли и щелочи). Наличие большого числа компонентов создает определенные трудности в их приготовлении. Более того, поскольку шахтная вода имеет различную жесткость и различное содержание микрокомпонентов, образующих катионы и анионы, выбор оптимальных ПАВ, солей и щелочей приходится производить на каждой шахте, так как это различие может достигать больших величин (от единиц до нескольких миллиэквивалентов ионов, например, кальция и магния, содержащихся в 1 л воды).

Известен другой способ подготовки пластов к безопасной отработке, включающий проходку горных выработок, проведение пластовых скважин, их герметизацию и подключение к дегазационному трубопроводу, нагнетание жидкости в пласт через скважины и его разупрочнение к началу очистной выемки угля (В.Н. Кулаков. Геомеханические условия отработки мощных крутых угольных пластов и направления создания эффективных технологий. - В сб. "Основные направления совершенствования техники и технологии отработки мощных крутых пластов".- Прокопьевск, 1988, с. 80-84). Основный недостатком этого способа является применение буровзрывного метода разрушения угля с использованием зарядов ВВ в скважинах, поскольку в процессе взрывания ВВ создается кратковременный импульс давления (0,1 с), который доводит массив в зоне взрыва до штыбообразного и пылевидного состояния. Кроме того, использование ВВ создает определенную опасность для обслуживающего персонала и является основным источником воспламенения метана на шахтах России.

Известен еще один способ подготовки к отработке мощных пологих пластов с выпуском подкровельной толщи, основанный на проходке горных выработок, проведении шпуров и скважин в породы кровли, проведении параллельно линии очистного забоя пластовых скважин, герметизации шпуров и скважин, нагнетании жидкости в пласт через скважины и разупрочнении горных пород взрыванием зарядов ВВ (А. Г. Саламатин. Подземная разработка мощных пологих угольных пластов. - М. : Недра, 1997, с. 199-206). Здесь также применяется взрывание зарядов ВВ в шпурах и скважинах с целью предварительного рыхления нижних слоев основной кровли и, естественно, верхних слоев угольного пласта. Как и в способах, указанных выше, использование ВВ создает определенную опасность для обслуживающего персонала и является основной причиной воспламенения метана на угольных шахтах. Кроме того, как уже говорилось, в зоне взрыва образуется большое количество пыли.

Наиболее близким по технической сути является способ подготовки угольных пластов к отработке, включающий проходку горных выработок, проведение пластовых скважин, их герметизацию, нагнетание жидкости в пласт через скважины в статическом режиме, гидроимпульсное воздействие на пласт, подключение скважин к дегазационному трубопроводу и разупрочнение пласта к началу очистной выемки угля (авт. св. СССР 1550174, E 21 F 7/00, 1989). Однако при этом процесс дегазации через нисходящие скважины недостаточно интенсивен из-за заполнения их водой, находящейся в пласте или боковых породах. Вследствие этого не обеспечивается в достаточной степени безопасность отработки пласта по газовому фактору.

Задача изобретения заключается в повышении безопасности подготовительных и очистных работ за счет более интенсивной и полной дегазации, предварительного увлажнения и разупрочнения пласта.

Согласно изобретению эта задача решается тем, что в способе подготовки угольных пластов к отработке, включающем проходку горных выработок, проведение пластовых скважин, их герметизацию, нагнетание в пласт через скважины рабочей жидкости в статическом режиме, гидроимпульсное воздействие на пласт, подключение скважин к дегазационному трубопроводу и разупрочнение пласта непосредственно перед началом очистной выемки, в процессе проходки начальной выработки проводят нисходящие скважины за контуры будущих выработок, до подключения к дегазационному трубопроводу нагнетают в них энерговыделяющую систему и после заполнения сети трещин инициируют систему, затем вблизи будущих выработок проводят горизонтальные дегазационные скважины, а гидроимпульсное воздействие на массив осуществляют через дополнительные скважины, проводимые в действующем очистном поле.

Нагнетание жидкости в пласт через нисходящие скважины производят в статическом режиме, при этом давление жидкости должно быть доведено до величины не менее 12 МПа, так как реакция термораспада энерговыделяющей системы (9% глицерина, остальное - нитрат аммония и вода в соотношении 60:40) происходит при начальном давлении в скважине не менее 12 МПа. Нагнетание же воды (воды с ПАВ или химически активными веществами) в пласт через дополнительные (восходящие или нисходящие) скважины на завершающей стадии воздействия на пласт перед очистной выемкой угля осуществляют в динамическом режиме и гидравлические импульсы давления формируют при скорости нарастания давления в импульсе в пределах 10² - 10³ МПа/c и давлении P > 0,03H, где H - глубина проведения горных работ от дневной поверхности в метрах.

При широко применяемом гидрорасчленении воду нагнетают под давлением 0,12H < P < 0,25H кгс/см². Но статическое нагнетание воды не позволяет управлять процессом раскрытия трещин. Экспериментально установлено, что для обеспечения управляемости процессом раскрытия трещин и образования достаточно густой сети новых трещин нагнетание воды необходимо осуществлять в импульсном режиме при повышенном давлении P > 0,03H МПа со скоростью нарастания давления в импульсе в самом начале процесса в пределах 10² - 10³ МПа/с, то есть управляющее воздействие становится эффективным при нарастании давления в импульсе со скоростью порядка сотен мегапаскалей в секунду.

На фиг. 1 показана принципиальная схема расположения нисходящих скважин в процессе проходки выработки при подготовке крутых пластов; на фиг. 2 - вид по А-А на фиг. 1; на фиг. 3, 4 и 5 - принципиальные схемы расположения скважин в процессе проходки парных откаточной и вышележащей (параллельной) выработок, а также горизонтальных дегазационных скважин; на фиг. 6 - разрез крутого пласта с выработками и нисходящей скважиной; на фиг. 7 - принципиальная схема расположения восходящих и нисходящих скважин на выемочных полях; на фиг. 8 - принципиальная схема расположения нисходящих и восходящих скважин при подготовке крутых пластов с выпуском угля подкровельной толщи; на фиг. 9 - выпуск угля подкровельной толщи мощного пологого пласта; на фиг. 10 - разрез мощного пологого пласта с выработками и нисходящей скважиной.

Способ осуществляется следующим образом.

В процессе проходки выработки 1, то есть в самом начале нарезки первого или очередного выемочного поля (фиг. 1 и 2), проводят пластовые нисходящие скважины 2 за контуры будущих откаточной и вышележащей (параллельной) выработок 3 и 4. Последовательно нагнетая в каждую скважину энерговыделяющую систему, создают в пласте сеть трещин и при достижении давления жидкости не менее 12 МПа инициируют систему любым известным способом, например с помощью генератора ПГД. БК, опускаемого в скважину с погружением в энерговыделяющую систему. Вода располагается в верхней части скважины и выполняет функцию гидравлического затвора. Для сокращения времени расслоения энерговыделяющей системы и воды в нисходящие скважины после энерговыделяющей системы нагнетают воду. После инициирования энерговыделяющей системы и окончания реакции термораспада скважины 2 подключают к дегазационному трубопроводу 5.

С момента подключения нисходящих скважин 2 к трубопроводу 5 приступают к очередным этапам обработки массива, которые заключаются в следующем.

Перед началом проходки выработок 3 и 4 проводят горизонтальные скважины 6, количество которых зависит от газоносности пласта, например, три скважины, две из которых проходят по продольной оси выработок, а третья - между ними (фиг. 3); либо три скважины, оконтуривающие выработки (фиг. 4), или пять скважин, являющиеся комбинацией двух предыдущих схем (фиг. 5). Очередность бурения этих скважин - снизу вверх. В этом случае интенсифицируются процессы осушения и дегазации пласта на выемочном поле и впереди проходимых выработок за счет удаления воды по скважинам. Затем скважины 6 подключают к дегазационному трубопроводу 5.

Для снижения газообильности при проходке откаточной и параллельной выработок 3 и 4 вне зоны влияния горизонтальных скважин 6 (по их длине) проводят передовые дегазационные скважины 7 (фиг. 3, 4 и 5). Эти передовые скважины, как и горизонтальные скважины 6, способствуют удалению воды из дегазируемого массива и интенсификации процесса дегазации (скважины 6 - нижележащего выемочного поля, а скважины 7 - вышележащего). Для снижения газообильности нижележащего выемочного поля из откаточной выработки 3, как и из выработки 1, проводят нисходящие скважины 2 (фиг. 6).

Для завершения подготовки к безопасной отработке вышележащего выемочного поля (фиг. 7) из выработки 4 проводят восходящие дегазационные скважины 8 параллельно линии очистного забоя 9. Через эти скважины 8 в 100-метровом интервале от очистного забоя нагнетают воду (водные растворы) для увлажнения угля в 4 массиве, а затем разупрочняют пласт 10 с помощью гидравлических импульсов давления, создаваемых установкой, располагаемой на устье скважины. Для дополнительного снятия газа (если интенсивность газоотдачи высокая) отключенные от дегазационного трубопровода 5 скважины 8 после увлажнения пласта вновь подключают к этому трубопроводу. По мере подвигания очистного забоя эти скважины 8 поочередно (отсчет от забоя лавы) отключают от дегазационного трубопровода и используют для разупрочнения пласта гидравлическими импульсами давления (нагнетательный трубопровод на чертежах не показан). Первые от забоя три-четыре скважины заполняют водой (водным раствором) под давлением не менее 0,5 МПа, а воздействие импульсами давления производят через вторую или третью от забоя скважину (в зависимости от состояния угольного массива в призабойной зоне). После этого приступают к выемке угля.

В процессе подготовки мощных крутых пластов с выпуском угля подкровельной толщи (фиг. 8) нисходящие и восходящие скважины проводят кустами (веером в вертикальной плоскости и вразбежку относительно длины выработки). При подготовке мощных пологих пластов с выпуском угля подкровельной толщи скважины проводят преимущественно параллельно линии очистного забоя в лавах по простиранию и падению пласта (фиг. 9 и 10).

Интенсификация процесса дегазации газоносных крутых и крутонаклонных угольных пластов, а также мощных пологих пластов, их предварительное увлажнение и разупрочнение способствуют увеличению нагрузки на очистной забой, повышают безопасность отработки пластов по факторам газа, пыли и внезапных выбросов угля и газа. Кроме того, способствует извлечению кондиционного метана, пригодного для утилизации.

Формула изобретения

1. Способ подготовки угольных пластов к отработке, включающий проходку горных выработок, проведение пластовых скважин, их герметизацию, нагнетание в пласт через скважины рабочей жидкости в статическом режиме, гидроимпульсное воздействие на пласт, подключение скважин к дегазационному трубопроводу и разупрочнение пласта непосредственно перед началом очистной выемки, отличающийся тем, что в процессе проходки начальной выработки проводят нисходящие скважины за контуры будущих выработок, до подключения к дегазационному трубопроводу нагнетают в них в качестве рабочей жидкости энерговыделяющую систему, которую инициируют после заполнения сети трещин, затем вблизи будущих выработок проводят горизонтальные дегазационные скважины, а гидроимпульсное воздействие на массив осуществляют через дополнительные скважины, проводимые в действующем очистном поле.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве энерговыделяющей системы используют смесь нитрата аммония, воды и глицерина.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что инициирование энерговыделяющей системы осуществляют при достижении давления жидкости не менее 12 МПа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10