Экспериментальные исследования перераспределения опорного давления в лаве при принудительной посадке кровли Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.И. Клишин, Ю.М. Леконцев, П.В. Сажин, 2006

УДК 622.35

В.И. Клишин, Ю.М. Леконцев, П.В. Сажин

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОПОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ЛАВЕ ПРИ ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ПОСАДКЕ КРОВЛИ

Семинар № 16

¿'Л сновные угольные бассейны страны, разработка пластов которых осуществляется подземным способом с преобладающей технологией разработки длинными очистными забоями на основе комплексов с механизированными крепями, характеризуются большим разнообразием горно-геологических условий, все более усложняющихся с ростом глубины горных работ при интенсификации процессов добычи угля.

Расширение области применения механизированных крепей в последние годы достигается за счет разработки пластов с труднообрушаемыми основными кровлями. Неожиданные неуправляемые динамические обрушения горного массива наносят большой вред - опасны для людей, разрушают механизмы и горные выработки. Кроме этого, зависания кровли вызывает концентрацию горного давления на угольный массив в зоне очистного забоя и на сопряжениях его с горными выработками, что провоцирует внезапный выброс угля и газа. Снятие собственного силового поля напряжений в массиве методом разупрочнения основано на создании и последующем развитии искусственных трещин, способствующих расслаиванию и снижению прочности пород массива.

За последние 10 лет в шахтах Кузбасса погибли около 900 человек, а в 2004 году

- уже 55. Последняя крупная авария под землей произошла 10 апреля на шахте «Тайжина» (г. Осинники ОАО «Южкуз-

бассуголь»). При взрыве метана пострадали 53 горняка, 47 из них погибли. При этом на шахте использовалась самая современная техника, обеспечивающая комфортность рабочих мест. Основной причиной взрыва метана стало обрушение кровли на значительной площади при отходе лавы, что привело к образованию избыточного вентиляционного давления, выделению метана и угольной пыли в действующие горные выработки. Этого могло не произойти в случае искусственного обрушения основной кровли - принудительной ее посадки.

Существующие методы разупрочнения труднообрушающихся кровель (передовое торпедирование, гидромикроторпедирование и т. д.), несмотря на опытную длительную проверку, не дают в большинстве случаев положительных результатов, так как они обладают, помимо частных, общим недостатком - неравномерностью и неуправляемостью разупрочнения. Поэтому решение проблемы снижения динамических явлений за счет разупрочнения массива следует искать не столько в совершенствовании существующих и широко апробированных практикой мер, сколько в использовании нетрадиционных принципов и способов на качественно ином научно - техническом уровне.

В настоящей статье представлен новый способ разупрочнения труднообрушаю-щейся кровли методом направленного гидроразрыва, позволяющий получить бо-

лее равномерное и направленное изменение механических свойств массива. Метод позволяет исключить площадное зависание кровли и резкое динамическое воздействие ее на механизированные комплексы период первичной и последующих осадок, а также обеспечить сохранность повторно используемых горных выработок в зоне очистных работ. Рассмотрены технологические возможности метода и техническое оборудование для его реализации [1].

Суть этого метода заключается в создании протяженных трещин путем развития искусственно созданных инициирующих щелей под действием рабочей жидкости, подаваемой в загерметизированное пространство, под высоким давлением. Таким образом, достигается разделение монолитного массива труднообрушаю-щейся кровли на слои с управляемой об-рушаемостью. Расслоение монолитной кровли может быть осуществлено на одном, двух и более уровнях (в зависимости от количества инициирующих щелей, создаваемых в скважине) [2].

Способ направленного гидроразрыва может применяться при любых типах кровли и категориях шахт по газу и пыли. Схема расположения скважин определяется в каждом конкретном случае, исходя из горно-геологических условий залегания пласта, прочности вмещающих пород, мощностей ложной, непосредственной и основной кровель, а также естественной трещиноватости вмещающих пород и направленности этой трещиноватости в пространстве. Для получения наибольшей эффективности зародышевые щели необходимо нарезать в горном массиве, по возможности менее нарушенном естественной трещиноватостью.

На практике используются в основном две схемы заложения скважин для снижения интенсивности и тяжести проявления первичных осадок основной кровли [3]:

Перпендикулярные схемы могут быть реализованы в двух вариантах:

а) заложение скважин происходит из монтажной камеры в сторону забоя под углом к напластованию перпендикулярно плоскости забоя. Инициирующие щели нарезаются вдоль оси скважины (рис. 1,

а).

б) заложение скважин происходит из монтажной камеры в сторону завала под углом к напластованию перпендикулярно плоскости забоя. Инициирующие щели нарезаются поперек оси скважины (рис. 1,

б).

Наклонная схема реализуется в одном варианте и заключается в заложении скважин впереди забоя в кровлю из монтажного и вентиляционного штреков навстречу друг другу под углом к плоскости забоя, с наклоном к напластованию под углом естественного обрушения пород. Инициирующие щели нарезаются вдоль оси скважины.

Для снижения интенсивности и тяжести проявления вторичных осадок основной кровли применяется перпендикулярная схема заложения скважин (рис. 1, б), а также наклонная схема (рис. 1, в).

Основными параметрами способа НГР являются следующие величины, описывающие геометрию расположения скважин и зародышевых щелей в горном массиве [4];

Ъ - высота заложения зародышевой щели от поверхности обнажения кровли или пласта, м; 1скв - расстояние от устья скважины до места заложения зародышевой щели, м; а - расстояние между скважинами, м; у - угол наклона зародышевой щели к плоскости напластования, (..°); в -угол разворота скважин относительно подготовительных выработок, (...°).

Высота обрушения пород кровли, при которой обеспечивается подбучивание труднообрушающейся толщи определяется по формуле:

Рис. 2. Схема заложе 3

Б

туров (скважин) и инициирующих щелей

Б - Б

Увеличено, повернуто

Б

г

'Я? 71

Рис. 1. Схемы расположения скважин для разупрочнения кровли до первой осадки

где тв - вынимаемая мощность пласта, м; Ило - мощность легкообрушаемой кровли, м; кло, кто - коэффициенты разрыхления пород соответственно легко- и труднооб-рушаемых пород.

Необходимую высоту обрушения пород рекомендуется достигать путем заложения шпуров (скважин) и нарезанием инициирующих щелей в соответствии со схемой представленной на рис. 2.

Высота заложения инициирующей щели от поверхности обнажения кровли или пласта определяется по формуле:

Для эффективного разупрочнения кровель прочностью выше 7 ед. по шкале Протодъяконова рекомендуется применять схему заложения шпуров (скважин) и нарезания инициирующих щелей представленную на рис.3.

Исходя из проведенных ранее многочисленных исследований и практических наблюдений поведения кровли после НГР установлено, что глубина скважины для создания горизонтальной плоскости гидроразрыва находится в пределах от 4 до 6 м, в зависимости от мощности легкообру-шаемой кровли.

Рис. 3. Схема заложения шпуров (скважин) и инициирующих щелей

Z = !скв ■ sin а, м,

где а - угол наклона скважины к плоскости залегания угольного пласта.

Расстояние между скважинами определяется по формуле: а = 2 (Z - пло)/ sin у, м.

Из условия исключения пересечения трещиной НГР плоскости контакта угольного пласта и кровли определяется угол наклона скважины к плоскости залегания угольного пласта:

R

tga = —,

скв.

где R - первичный радиус плоскости НГР.

имеющие аналагов, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения технические средства (рис. 4, 5). Они прошли лабораторные и шахтные испытания, результаты которых свидетельствуют о высокой степени их надежности.

Техническая характеристика щеле-образователя ЩМ - 45М:

- диаметр щелеобразователя d, мм - 42

- диаметр нарезаемой инициирующей щели D, мм - 132

- отношение D/d 2.3.. .2.26

- количество режущих инструментов, шт. -

2

- промывочная жидкость - вода

- осевое усилие подачи при резании, кг -

15...20

- масса, кг - 1.56

Щелеобразователь устанавливается на штанге после окончания бурения и вводится в скважину до упора в забой. При включении вращателя штанг и их осевой подаче упор 9 входит в контакт с забоем шпура, после чего толкатель 3 начинает поступательно вдвигаться в стакан 1, а режущие органы 4 по направляющим уклонам 7 выходят режущей частью из стакана 1 через продольные окна 2 и нарезают в стенках скважины инициирующую полость тарельчатой формы. При этом происходит постепенное сжатие пружины 8 возврата и фигурных пружин 6. После полного выбора хода толкателя прорезание инициирующей прекращается. В процессе образования инициирующей полости на режущие органы 4 щелеобразователя

- количество уплотняющих элементов, шт.

- 2

через внутренние отверстия в буровых штангах и стакане 1 постоянно подается промывочно - охлаждающая жидкость.

После завершения работы и начала вывода става штанг из скважины толкатель 3 возвращается в исходное положение под действием усилия со стороны пружины 8 возврата толкателя 3, а режущие органы 4 занимают первоначальное положение под действием фигурных пружин 6, что обеспечивает беспрепятственный демонтаж оборудования.

Уравновешенный герметизатор применим для НГР пород прочностью выше 6 ед. по шкале Протодъяконова ( > 25 МПа) (рис. 5).

Техническая характеристика уравновешенного герметизатора:

- диаметр герметизируемой скважины, мм

- до 50

- длина, мм - 420... 520

- материал уплотняющих элементов -

полеуретан

- наружный диаметр уплотняющих эле- - давление подпора Рпод., МПа ■

ментов, мм - 44

Устройство работает следующим образом. Перед началом работы осуществляется установка устройства, на ставе жестко-

Рис. 5. Уравновешенный герметизатор: 1 - корпус; 2 - канал; 3 - место для подсоединения к магистрали; 4 - уплотнительные элементы; 5 - поршень; 6 - цилиндр; 7 - радиальное отверстие; 8 -стопорящая гайка; 9 - рабочая камера; 10 - уплотнительные кольца

го трубопровода и вводится в скважину. Досылка става заканчивается, когда инициирующая щель оказывается между уплотнительными элементами уравновешенного герметизатора. Затем, по системе труб от насосной станции и канал 2 подается жидкость в рабочую камеру 9 поршневой пары, которая под действием давления рабочей жидкости начинает раздвигаться и, перемещаясь по корпусу 1, сжимает упругие уплотнительные элементы 4, которые, расширяясь в радиальном направлении, соприкасаются со стенками скважины и пакеру-ют ее. В процессе пакерования скважины наступает момент, когда радиальное отверстие 7, выполненное в цилиндре 6, выходит за границу поршня 5.

Рис. 6. Самописец давления часового типа

С этого момента рабочая жидкость начинает поступать в изолированный упругими уплотнительными элементами 4 участок скважины, где расположена инициирующая щель. При повышении давления в изолированном участке скважины до значения превышающего допустимую величину прочности породы на разрыв, происходит раскрытие инициирующей щели, образование трещины в плоскости нарезанной щели.

Герметизатор типа “Таурс”, применим для НГР пород прочностью до 6 ед. по шкале Протодъяконова (до 25 МПа).

- диаметр герметизируемой скважины, мм

- до 48

- длина, м - 2...2.5

- наружный диаметр, мм - 43... 44

- давление подпора Рпоц., МПа - 5

Самописец давления часового типа.

На рис. 6 представлен самописец давления часового типа (модель МДП) для записи изменения величины давления во времени.

Техническая характеристика самописца давления:

- максимальное регистрируемое давление

Ртах, МПа 60

- скорость записи Узап., мм/мин -

150.200

Расходомер.

- допустимое рабочее давление Рраб., МПа -

60

- чувствительность др, л/мин - ±5

- максимальный регистрируемый расход

Р, л/мин - 80

Рис. 10. Схема расположения оборудования при НГР с использованием уравновешенного герметизатора: 1 - насосная станция; 2 - самописец давления; 3 - расходомер; 4 - манометр; 5 - жесткий трубопровод; 6 - герметизатор; 7 - инициирующая щель.

- погрешность показаний 5, % - 5

Насосная станция (автономная).

- максимальное рабочее давление Рраб.,

МПа - 40

- производительность рп., л/мин - 30

Насосная установка гидросистемы механизированной крепи.

- рабочее давление Рраб., МПа - 28

Арматура.

- монтажные трубопроводы (гибкие, жесткие);

- тройники, переходники, краны

Для бурения скважин (шпуров) используются станки типа БЖ с предварительно подготовленной буровой корон-кой на диаметр 45-46 мм и специальным приспособлением для сглаживания шероховатости стенок скважины - фонарем. На рис. 7-10 представлены технологические схемы НГР.

При разупрочнении кровли методом направленного гидроразрыва для перераспределения опорного давления необходимо придерживаться следующей последовательности выполнения технологических операций.

1. Разработка проекта расположения скважин в горных выработках.

2. Бурение скважин.

3. Создание в скважинах инициирующих щелей.

4. Сборка и монтаж высоконапорного оборудования и контрольно - измерительной аппаратуры.

5. Герметизация скважины.

6. Нагнетание в скважину жидкости под давлением.

7. Контроль границ гидроразрыва.

8. Демонтаж оборудования и переход к следующей скважине.

7

1. Клишин В.И., Леконцев Ю.М., Сажин П.В. Результаты опытно - промышленного испытания оборудования на каменных блоках. Сборник трудов “Динамика и прочность машин”, том 1. - Новосибирск, 2003.

2. Сажин П.В. Исследование влияния механических свойств уплотнений на направление развития инициирующей щели. Горный информа-

ционно - аналитический бюллетень, М.: Изд-во МГГУ, 2004. - № 7. - С. 254-258.

3. Клишин В.И. Адаптация механизированных крепей к условиям динамического нагружения”. - Новосибирск, 2002.

4. Инструкция по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на выемочных участках. - Л., 1991. - 102 с.

— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------

Клишин В.И.- доктор технических наук, заведующий лабораторией подземной разработки угольных месторождений,

Леконцев Ю.М. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

Сажин П.В.- аспирант,

ИГД СО РАН.