способ определения границ зоны трещин в подработанном массиве горных пород

Формула изобретения

Способ определения границ зоны трещин в подработанном массиве горных пород, включающий поэтапное бурение восстающей скважины из подготовительной выработки в сторону выработанного пространства, изоляцию опробуемого интервала скважины на каждом этапе, фиксацию его глубины, установку перемычки на конец пустотелого бурового снаряда в устье скважины и определение перепада между давлением воздуха в интервале и давлением воздуха вне интервала, определение скорости движения воздуха через устье скважины и графическое построение верхней и боковой границ зон трещин, отличающийся тем, что в качестве перемычки используют кольцевую диафрагму, причем пустотелый буровой снаряд через кольцевую диафрагму и редуктор подключают к шахтной системе сжатого воздуха и выдерживают, указанный перепад давлений воздуха определяют путем измерения давлений непосредственно перед и за кольцевой диафрагмой при разном давлении подаваемого через редуктор воздуха, скорость движения воздуха через устье скважины определяют по указанному перепаду давлений и диаметру отверстия кольцевой диаграммы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для определения границ зоны сообщающихся с выработанным пространством трещин. Эти границы используются для определения условий безопасного ведения горных работ у затопленных выработок и водных объектов, а также для эффективной дегазации сближенных пластов и выработанного пространства.

Известен способ определения высоты зоны сообщающихся с выработанным пространством трещин в натуре путем наблюдения за напорами воды в открытых пьезометрах (Рекомендации по определению безопасных условий выемки свит пластов под водными объектами. Л.: Изд. ВНИМИ, 1987 г., с.26-38).

Недостатком указанных способов является их ограниченная возможность в определении параметров зоны трещин. Они позволяют определять только один параметр зоны трещин - ее верхнюю границу, т.е. высоту.

Известен также способ определения границ зоны сообщающихся с выработанным пространством трещин, включающий поинтервальное бурение восстающей скважины из выработки в массив, герметизацию ее устья, установку в выработке легковозводимой вентиляционной перемычки, изоляцию опробуемого интервала герметизатором, измерение скорости движения и разности давления воздуха в скважине между устьем скважины и выработанным пространством и построение по длине скважины графиков скорости движения и разности давления с отметкой глубины скважины, при которой произошло изменение скорости движения и разности давления (Авт. св. №1634803, МПК Е 21 F 7/00, опубл. 15.03.1991 г.). При этом перепад давления при установке перемычки создается за счет общешахтной депрессии.

Недостатком этого способа является то, что он предполагает нарушение режима проветривания очистного забоя и примыкающих выработок на время проведения измерений скорости движения и разности давления воздуха, что является нежелательным, т.к. нарушает технику безопасности работ.

Задачей изобретения является обеспечение возможности определения границ зоны трещин без нарушения режима проветривания очистного забоя и примыкающих к нему подготовительных выработок.

Для достижения необходимого технического результата в известном способе, включающем поэтапное бурение восстающей скважины из подготовительной выработки в сторону выработанного пространства, изоляцию опробуемого интервала скважины на каждом этапе, фиксацию его глубины, установку перемычки на конец пустотелого бурового снаряда в устье скважины и определение перепада между давлением воздуха в интервале и давлением воздуха вне интервала, определение скорости движения воздуха через устье скважины и графическое построение верхней и боковой границ зон грешин предлагается в качестве перемычки использовать кольцевую диафрагму, а пустотелый буровой снаряд через кольцевую диафрагму и редуктор подключить к шахтной системе сжатого воздуха и выдержать. Перепад давлений воздуха предлагается определять путем измерения давлений непосредственно перед и за кольцевой диафрагмой при разном давлении подаваемого через редуктор воздуха, а скорость движения воздуха через устье скважины определять по указанному перепаду давлений и диаметру отверстия кольцевой диаграммы.

Использование давления в шахтной системе сжатого воздуха и установка перемычки в виде диафрагмы непосредственно в устье скважины исключает необходимость перекрывать сечение подготовительной выработки на время замера и не нарушает режима проветривания очистного забоя, предусмотренного технологией разработки месторождения полезного ископаемого.

Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 показан вертикальный разрез по скважине и графики скорости движения и разности давления воздуха в скважине, а на фиг.2 - то же, для примера.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - восстающая скважина;

2 - ниша;

3 - подготовительная выработка, расположенная в угольном целике;

4 - угольный целик;

5 - выработанное пространство;

6 - зона трещин;

7 - верхняя граница зоны трещин;

8 - боковая граница зоны трещин;

9 - герметизатор;

10 - изолированный интервал;

11 - пустотелый снаряд;

12 - перемычка в виде кольцевой диафрагмы;

13 - редуктор;

14 - манометр;

15 - шахтная система сжатого воздуха;

16 - точка на графике, соответствующая глубине скважины L₁, на которой произошло существенное увеличение скорости движения и разности давления;

17 - точка на графике, соответствующая глубине скважины L ₂, на которой произошло уменьшение скорости движения и разности давления до начальных значений (близких к нулю);

18 - кромка пласта.

Восстающую скважину 1 (фиг.1) бурят поинтервально из ниши 2 подготовительной выработки 3, расположенной в угольном целике 4 между выработкой 3 и выработанным пространством 5, в направлении выработанного пространства, над которым образуется зона сообщающихся с выработанным пространством трещин 6 с верхней 7 и боковой 8 границами. Разность давления и скорость воздуха (расчетом) определяют в перерывах бурения после установки в скважине герметизатора 9 (тампон, сальник или пакер), с помощью которого изолируют опробуемый интервал 10 от остальной скважины.

На конце пустотелого снаряда 11 вблизи от устья скважины 1 устанавливают перемычку 12 в виде кольцевой диафрагмы или сопла и подсоединяют снаряд через редуктор 13 с манометром 14 к шахтной системе 15 сжатого воздуха, используемого при бурении для продувки скважины.

Для измерения перепада давления и скорости движения воздуха через пустотелый снаряд 11 и опробуемый интервал используют манометры, подсоединяемые к пустотелому снаряду непосредственно перед и за кольцевой диафрагмой (перемычкой 12). Перепад давления может быть также непосредственно измерен дифференциальным манометром или соответствующим депрессиометром. Скорость движения (или количество пройденного через кольцевую диафрагму воздуха за единицу времени) рассчитывается по методике (см. Ямщиков B.C., Шкуратник В.Л. Контроль процесса при подземной газификации угля. Учебное пособие.: МГИ, 1985 г., с.73) с учетом измеренного перепада давления, диаметра снаряда (внутреннего) и диаметра отверстия кольцевой диафрагмы, т.е. относительного сечения диафрагмы. Время для определения расхода или скорости воздуха при установившемся перепаде давления измеряют секундомером.

При этом опробования выполняют через 3-5 м бурения скважины без нарушения режима проветривания очистного забоя и примыкающих подготовительных выработок. Измерения производят при разном давлении воздуха, подаваемого через редуктор 13 в опробуемый интервал 10 скважины.

По результатам измерений строят графики, на которых по одной оси откладывают глубину скважины, по другой - величины скорости движения V, м/сек воздуха через кольцевую диафрагму в опробуемый интервал и трещины (при их наличии) и значения разности давлений перед и за кольцевой диафрагмой (перемычкой 12) Р, Па. По графикам Р и V отмечают глубину L₁ скважины, определяемой исходя из положения интервала, на котором отмечено увеличение скорости движения и разности давления, и глубину L₂ , где названные параметры снова уменьшились до нуля. Отмеченные на разрезе глубины скважин L₁ и L₂ дают положение точек 16 и 17 соответственно на боковой 8 и верхней 7 границах зоны водопроводящих трещин. Проведя через точку 16 и кромку 18 пласта прямую линию, получают боковую границу 8, а через точку 17 линию, параллельную плоскости напластования, верхнюю границу 7.

Изобретение осуществляется следующим образом. Угольный пласт на шахте "Тентекская" в Карагандинском угольном бассейне отрабатывали длинными столбами под затопленными выработками вышележащего ранее отработанного пласта. Для установления боковой (со стороны падения) и верхней границ зоны сообщающихся с выработанным пространством трещин впереди очистного забоя из ниши 2 вентиляционного бремсберга 3 была пробурена восстающая под углом 52° к горизонту скважина 1. В перерывах между бурением производили изоляцию очередного опробуемого 5-метрового интервала 10 с помощью герметизатора 9, подсоединение пустотелого бурового снаряда через кольцевую диафрагму (перемычку 12) и редуктор 13 к шахтной системе 15 сжатого воздуха и измерение дифференциальным манометром перепада давления у кольцевой диафрагмы при различных ступенях давления, измеряемого манометром 14 и регулируемого редуктором 13. После измерений от системы отсоединяли редуктор и кольцевую диафрагму, извлекали герметизатор и продолжали бурение следующего 5-метрового интервала, после чего измерения повторялись. Каждый изолированный опробуемый интервал скважины сначала заполнялся сжатым воздухом в течение 3-х минут, затем производилось измерение перепада давления у кольцевой диафрагмы и фиксировалось время измерений. Из опробуемых интервалов 10, не связанных с зоной трещин, воздух не уходил в массив горных пород, давление в них (после 3-минутной паузы) становилось равным давлению за редуктором, поэтому перепад давления перед и за кольцевой диафрагмой (соответственно и рассчитываемая по нему скорость движения) равнялся нулю.

В опробуемых интервалах, которые располагались в зоне трещин, воздух через трещины уходил в выработанное пространство, поэтому возникал перепад давления у диафрагмы, который и фиксировался дифференциальным манометром. При этом весь поток воздуха проходил через кольцевую диафрагму в опробуемый интервал и через трещины - в выработанное пространство, связанное с шахтной атмосферой.

На вертикальном разрезе по оси скважины были построены графики результатов измерения разности давления Р у кольцевой диафрагмы и рассчитанных (по разности давления и относительному отверстию диафрагмы) скоростей движения V воздуха через пустотелый снаряд. По графикам были отмечены глубины скважины L₁ и L₂, соответствующие опробуемым интервалам, где произошло в первом случае существенное увеличение разности давления и скорости движения, а во-втором - уменьшение их до нуля после 3-минутных пауз, необходимых для выравнивания давления воздуха перед кольцевой диафрагмой и в опробуемом интервале 10. Эти точки на разрезе дали положение соответственно боковой 8 и верхней 7 границы зоны трещин, сообщающихся с выработанным пространством. Графическим построением установлена верхняя граница зоны на расстоянии 85 м от почвы пласта, а боковая со стороны падения - под углом 72° к горизонту. Приведенные на фиг.2 графики зависимостей V и Р от длины скважины получены при давлении 0,3 МПа. При давлении 1,5 мПа графики аналогичны приведенным (на чертеже не показаны).

Таким образом, в результате измерений установлена боковая и верхняя границы зоны сообщающихся с выработанным пространством трещин без нарушения режима проветривания очистного забоя и примыкающих к нему выработок.

Преимуществом предлагаемого способа является обеспечение возможности проведения измерений без нарушения режима проветривания выработок.

Экономический эффект от использования способа обусловлен сокращением простоев очистного забоя, обусловленных необходимостью нормализации его газового режима.

Изобретение предполагается использовать при определении безопасных условий ведения горных работ у затопленных выработок и рационального расположения скважин для дегазации сближенных пластов.