способ подготовки угольных пластов к отработке

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.

Описание изобретения к патенту

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.