CC BY
50
© В.И. Клишин, Ю.М. Лекониев, В.М. Голубев, С.В. Попов, 2003
УЛК 622.831
B.И. Клишин, Ю.М. Лекониев, В.М. Голубев,
C.В. Попов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕЛОВАНИЯ РАЗУПРОЧНЕНИЯ ОСНОВНОЙ КРОВЛИ МЕТОЛОМ НАПРАВЛЕННОГО ГИЛРОРАЗРЫВА
Сущность метода направленного гидроразрыва заключается в том, что разупрочнение пород кровли осуществляется созданием протяженной щели ориентированным гидроразрывом, т.е. разделением монолитного массива труднооб-рушающейся кровли на слои с управляемой обрушаемостью. Для этого в массиве кровли на стенках отбуренных скважин, ориентированных нормально слоистости, с помощью специального устройства нарезают инициирующую щель заданной формы и размеров, являющуюся концентратором напряжений (рис. 1). Затем щель герметизируют и в образованную полость нагнетают под давлением рабочую жидкость. В результате гидроразрыва происходит рост щели в заданном направлении. Для осадочных пород прочность на разрыв в направлении по слоистости наименьшая. Поэтому условие для распространения щели по слоистости является наиболее целесообразным. Расслоение монолитной кровли может быть осуществлено на одном, двух и более уровнях, в зависимости от количества инициирующих щелей, создаваемых в скважине. Для образования в породном массиве протяженной щели, измеряемой десятками метров, необходимо использовать насосы производительностью не менее 60 л/мин.
Метод направленного гидроразрыва кровли осуществляется как для предварительного разупрочнения монолитных кровель, так и для оперативного обрушения зависших пород. Предварительное (профилактическое) разупрочнение труднообрушаю-
щихся пород кровли может быть использовано для снижения первичного и последующих шагов обрушения основной кровли. Для сокращения первичного шага обрушения стратификация производится из монтажной камеры до размещения механизированного комплекса. Шаг вторичных осадок уменьшается путем разупрочнения пород кровли из подготовительных выработок вне зоны опорного давления на расстоянии 10-30 м впереди очистного забоя. Оперативное разупрочнение кровли может производиться в районе сопряжения очистного забоя с подготовительной выработкой или непосредственно из очистного забоя.
Осуществление метода направленного гидроразрыва
предполагает предварительное создание через скважины зародышевых щелей, ориентированных вдоль, либо поперек оси скважин. Изменяя ориентацию скважин и зародышевых щелей в породном массиве по отношению к вмещающим породам основной кровли и линии очистного забоя, можно _____________
направлять трещину ориентированного гидроразрыва под
любым углом к напластованию. Благодаря этому, кроме предварительного равномерного разупрочнения массива по плоскостям напластования, можно решать и другие задачи, например, осуществлять принудительное обрушение зависшей кровли в выработанном пространстве лавы неразупроч-ненных консолей основной кровли при первичных или вторичных посадках.
В качестве рабочей жидкости для направленного гидроразрыва кровли может служить вода или эмульсия, применяемая в гидросистемах механизированных комплексов.
Технологическая схема и параметры заложения скважин для осуществления ориентированного гидроразрыва выбираются в каждом конкретном случае с учетом решаемой задачи в зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий на данном участке. Для снижения шага обрушения пород за механизированной крепью более предпочтительной является схема предварительного расслоения массива на слои меньшей мощности и, естественно, с меньшим шагом обрушения. Поэтому для разупрочнения пород кровли в монтажной камере лавы 16-14, пласта XXI за основу принимался способ направленного гидроразрыва, при котором стратификация осуществлялась в плоскостях, ориентированных параллельно напластованию пород. В качестве дополнитель-
Рис. 1. Схема размещения технологического оборудования: 1 - стратификационная скважина; 2 - инициирующая щель; 3 - пакер; 4 - трубопровод; 5 - ориентированная трещина; 6 -рукав высокого давления (РВД); 7 - тройник; 8 - манометр; 9 - самопишущее устройство; 10 -кран управления.
ной схемы использовалась схема «отсечного обрушения», при которой ориентированные трещины направлены вкрест напластованию. Сочетание этих технологических схем предполагало получить наибольший эффект предварительного разупрочнения труднообрушающих-ся пород кровли и обеспечение стабильного обрушения кровли вслед за подвиганием очистного забоя при отходе лавы от монтажной камеры.
Шаг бурения скважин для направленного гидроразрыва определяется радиусом распространения создаваемых трещин, который зависит от свойств горных пород, производительности насосных установок и ряда других характерных для данной кровли факторов. Учитывая предполагаемый радиус распространения трещин по результатам ранее проведенных исследований, шаг бурения рабочих скважин для конкретных условий принимался равным 30 м. Скважины для второго гидрорасслоения бурились посредине между скважинами первого слоя. Схема заложения скважин и их параметры приведены на рис. 2, 3.
Чтобы получить наибольший эффект предварительного разупрочнения пород кровли, в проекте бурения сетки скважин использовалась схема «отсечного обрушения», ее цель - создание искусственных трещин в массиве, ориентированных
вкрест напластования пород. «Отсеченные скважины» бурились из монтажной камеры, с направлением в сторону движения очистного забоя. Скважины для «отсечного обрушения» закладывались между скважинами для слоевого гидроразрыва (рис. 2, 3, скв. 2, 5, 7, 9 и 11). Параметры их заложения выбирались исходя из условий получения связи между трещинами расслоения посредством наклонной трещины и образования блочной структуры породного массива в средней и нижней части лавы.
Бурение скважин и прорезание инициирующих щелей производилось буровым станком типа БЖ-45/100Э с одной установки. Для бурения скважин использовались породные коронки диаметром 45 мм. Прорезание инициирующих щелей осуществлялось при помощи механического щелеобразова-
теля ЩМ-45, который устанавливался на штангах бурового станка вместо коронки.
Г ерметизация зоны инициирующей щели осуществлялась гидравлическим затвором по типу «Таурус» или ГАС- 42 (45). Досылка герметизатора к забою производилась с помощью специального комплекта высоконапорных труб. Соединение нагнетательной установки с выступающим из скважины концом труб осуществлялось через специальный переходник посредством высоконапорных гибких шлангов. Для контроля за изменением давления в процессе гидроразрыва использовались: дат-
чик давления (манометр), самописец давления, а также расходомер.
Работы по направленному гидроразрыву кровли выполнялись в следующей последовательности. В определенном проектом месте и на заданную глубину буровым станком бурилась рабочая скважина диаметром 45 мм при помощи коронки с калибратором. Затем вместо коронки к буровому ставу подсоединялся щелеобразователь, который и подавался в скважину до упора в забой при враще-
нии става с минимальной подачей. Окончание процесса резания щели визуально определялось по осветлению воды, используемой для промывки в зоне резания выходящей из скважины, а также измерительным инструментом по прекращению перемещения вверх шпинделя станка с буровым ставом. Ще-леобразователь извлекался из скважины после демонтажа бурового става, а станок перемещался на место бурения следующей скважины.
В подготовленную рабочую скважину, на колонне высоконапорных труб, заводился гидравлический герметизатор, который через коллектор соединялся с нагнетательной установкой и приборами контроля.
Процесс нагнетания жидкости в скважину продолжался до стабилизации давления в напорной магистрали (со стороны скважины) на уровне 40-50% от максимального при гидроразрыве (фиксируется по манометру), но не менее 5-10 минут. После чего насосная установка отключалась, производился демонтаж оборудования и переход к следующей подготовленной скважине.
Для получения параметров распространения трещин при ориентированном гидроразрыве пород кровли применялись контрольные скважины, в качестве которых в реализованной схеме использовались скважины
верхнего слоя и специально пробуренные скважины 4 и 6
(рис. 2). Контроль производился легким герметизатором трения, представляющим собой набор колец из мягкой резины, насаженных на открытый конец трубопровода. При истечении рабочей жидкости из контрольной скважины в нее заводился герметизатор и затем медленно опускался вниз. По истечении жидкости либо через скважину, либо через трубопровод определялось место нахождения трещины в данной скважине. Этот способ контроля осуществлялся обязательно при включенной насосной установке.
Наблюдения и выводы
Посадка непосредственной кровли произошла после выхода крепи из монтажной камеры. В начале наблюдалось отслоение кровли в средней части монтажной камеры, а затем ее плавное опускание по сопряжениям. Посадка основной кровли была зафиксирована после отхода комплекса от монтажной камеры на расстояние около 15 м. По многолетним наблюдениям посадка основной и непосредственной кровель в аналогичных условиях без применения гидростатической стратификации происходила не ранее, чем после отхода лавы от монтажной камеры на расстояние более 40м и сопровождалось мощными силовыми воздействиями на вспомогательные выработки и механизированную крепь.
Таким образом, наблюдения и полученные положительные результаты подтверждают целесообразность применения метода направленного гидроразрыва и необходимость проведения дальнейших исследований.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------------
Клишин В.И. - доктор технических наук, зам. директора ИГД СО РАН по научной работе. Леконцев Ю.М. — кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, ИГД СО РАН. Голубев В.М. — ген. директор ОАО “Шахта Березовская”.
Попов С.В. — гл. инженер ОАО “Шахта Березовская”.
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
Содержание:
Автор:
Ключевые слова: Заметки:
Дата создания:
Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:
Полное время правки: Дата печати:
При последней печати страниц: слов: знаков:
КЛИШИН
G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB10~03 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.dotm 1
Pentium
07.08.2003 10:53:00 4
07.08.2003 11:03:00 Гитис Л.Х.
15 мин.
09.11.2008 17:23:00
3
1 469 (прибл.)
8 377 (прибл.)
