Научная статья на тему 'Совершенствование геотехнологий и способов управления состоянием массива горных пород на основе их гидроразрыва'

Совершенствование геотехнологий и способов управления состоянием массива горных пород на основе их гидроразрыва Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
196
49
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ / DYNAMIC EFFECTS / HEAVY ROOFS / ОЧИСТНОЙ ЗАБОЙ / WORKING FACE / ТРУДНООБРУШАЕМЫЕ КРОВЛИ

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Клишин Владимир Иванович, Курленя Михаил Владимирович, Писаренко Марина Владимировна

Представлены схемы и средства реализации направленного гидроразрыва для разупрочнения труднообрушаемых кровель, что позволяет исключить зависание пород кровли в очистных забоях и резкие динамические воздействия её на механизированные комплексы, а также обеспечивает сохранность повторно используемых горных выработок в зоне очистных работ. Использование метода поинтервального направленного гидроразрыва в технологии дегазации позволяет значительно повысить газоотдачу пласта, тем самым увеличивая интенсивность и эффективность процесса.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Клишин Владимир Иванович, Курленя Михаил Владимирович, Писаренко Марина Владимировна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Perfection of geotechnologies and control method in rock massif based on hydraulic fracturing

The paper presents the implementation of the schemes and means directed to hydraulic fracturing of the weakening of heavy roofs that allows excluding hang of roof rock in working faces and sharp dynamic effects on the mechanized systems. Besides it keeps recycled mine workings in the working area. Using the method of directional interval standardized fracturing in degassing technology one can significantly increase gas recovery seam, thereby increasing the rate and efficiency of the process.

Текст научной работы на тему «Совершенствование геотехнологий и способов управления состоянием массива горных пород на основе их гидроразрыва»

© В.И. Клишин, М.В. Курленя, М.В. Писаренко, 2013

УДК:622.831.249

В.И. Клишин, М.В. Курленя, М.В. Писаренко

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГЕОТЕХНОЛОГИЙ И СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД НА ОСНОВЕ ИХ ГИДРОРАЗРЫВА *

Представлены схемы и средства реализации направленного гидроразрыва для разупрочнения труднообрушаемых кровель, что позволяет исключить зависание пород кровли в очистных забоях и резкие динамические воздействия её на механизированные комплексы, а также обеспечивает сохранность повторно используемых горных выработок в зоне очистных работ. Использование метода поинтервального направленного гидроразрыва в технологии дегазации позволяет значительно повысить газоотдачу пласта, тем самым увеличивая интенсивность и эффективность процесса. Ключевые слова: динамические воздействия, труднообрушаемые кровли, очистной забой.

В последнее десятилетие угольная промышленность России вышла на самоокупаемость и стала прибыльной. Финансовому оздоровлению способствовал рост экспортного спроса на уголь. Объём добычи угля за период с 2000 по 2012 гг. вырос с 258 млн т. до 352,1 млн т, а его экспорт увеличился более чем в 3 раза (128.4 млн т). Кузбасс является основным угледобывающим бассейном страны на долю которого приходится более 56 % всего добываемого угля и почти 77% коксующегося.

Доминирующей системой подземной разработки является длинностолбовая с оснащением очистного забоя высокопроизводительным механизированным комплексом. Расширение области её применения в последние годы происходит за счёт разработки пластов с труднообрушаемыми кровлями, что значительно осложняет ведение очистных работ. Динамические обрушения её осложняют безопасность горных работ, разрушают машины, оборудование и выработки. Кроме того, зависание кровли вызывает концентрацию горного давления на угольный массив в зоне очистного забоя и на сопряжениях его с выработками, что провоцирует динамические явления. Это

приводит к нарушению режима горных работ, оборудования и проветривания забоев.

Крупные аварии под землёй в Кузбассе на шахтах «Тайжи-на» - 2004 г. и «Ульяновская» - 2007 г. (ОАО «Южкузбасс-уголь») произошли в очистных забоях, использующих самую современную технику, обеспечивающую комфортность рабочих мест. Одной из основных причин взрыва метана стало обрушение кровли на значительной площади, что привело к образованию избыточного вентиляционного давления, выделению метана и угольной пыли в действующие горные выработки [1]. Концентрация горного давления на угольный массив в зоне очистного забоя и на сопряжениях его с выработками при зависании кровли спровоцировали горный удар на шахтах «Первомайская» в Кузбассе и Баренцбург архипелага Шпицберген [2]. Именно поэтому в приказе Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору № 451 от 5 июля 2007 г. было рекомендовано при работе механизированных лав с нагрузкой 5000 т/сут и более, до начала очистных работ производить разупрочнение пород кровли.

Однако существующие методы разупрочнения труднооб-рушающихся кровель угольных пластов (передовое торпедирование, гидромикроторпедирование и т. д.) [3], несмотря на опытную длительную проверку их, не давали в большинстве случаев положительных результатов, так как обладали общими недостатками - неравномерностью и неуправляемостью разрушения горных пород.

1. Разупрочнение труднообрушающихся кровель методом направленного гидроразрыва

Главное различие труднообрушающейся кровли по сравнению с легко обрушающимися заключается в том, что первые сложены монолитными породами, а вторые обладают выраженной слоистостью и способностью легко расслаиваться. Если в монолитном массиве создавать достаточно протяжённые искусственные трещины, ориентированные параллельно напластованию, то он перейдёт из разряда труднообрушающихся в категорию легко- и среднеобрушающихся.

В ИГЛ и ИУ СО РАН был предложен способ разупрочнения труднообрушающейся кровли методом направленного гидроразрыва, позволяющий получить более равномерное изменение механических свойств массива. Горные породы обладая

различной прочностью на сжатие (осж) и растяжение (ор) характеризуются высокой хрупкостью. Она обычно оценивается отношением осж/ор, и её величина в среднем соответствует 10. Отношение энергоёмкости разрушения пород при одноосном сжатии (Шсж) и растяжении (Шр) пропорционально (осж/ор)2, и составляет Шсж/Шр ~ 100 [4]. Сущность метода направленного гидроразрыва заключается в бурении скважины, создании в массиве с помощью щелеобразователя инициирующей щели (ИЩ), необходимой формы и размера, герметизации скважины и подаче через герметизатор (пакер) в ИЩ под давлением флюида. В качестве флюида можно использовать воду. При достижении критического давления фронт ИЩ передвигается в заданном ей направлении, образуя протяженную трещину (рис. 1). Изменяя ориентацию скважин и зародышевых щелей в породном массиве по отношению к элементам залегания основной кровли и линии очистного забоя, можно направлять трещину ориентированного гидроразрыва под любым углом к напластованию. Благодаря этому, кроме равномерного предварительного разупрочнения массива по плоскостям напластования, решаются и другие задачи, например, «обрезание» слоя при первичных и последующих посадках, а также для сохранения подготовительных выработок.

Рис. 1. Технологическая схема НГР: 1 - нагнетательный трубопровод; 2 - самописец; 3 - манометр; 4 - насос; 5 - трубопровод

а) до выхода крепи из монтажной камеры

б) после выхода

Рис. 2 Разупрочнение кровли в монтажной камере (ш. Березовская, ш. Распалская-Коксовая, ш. Кирова, ш. Покуй (Польша)

Эксперименты по направленному гидроразрыву горных пород проводились на угольных шахтах применительно к решению технологических задач, а именно: инициирования обрушения их при отходе механизированного комплекса от монтажной камеры с целью уменьшения первичного шага посадки кровли) (рис. 2), последующих обрушений их и снижения вторичных осадок кровли; разупрочнения пород над де-монтажной камерой при подходе комплекса на убывающий целик (рис. 3), а также в случае необходимости сохранения повторно используемых выработок путём регулирования нагрузок на охраняемые целики (рис. 4).

Методикой предусматривались эксперименты по разупрочнению горных пород до начала очистных работ из монтажной камеры и подготовительных выработок; в зоне ведения очистных работ - на сопряжении лавы и подготовительных выработок, в выработанном пространстве с принудительной посадкой кровли. При этом в каждом случае обосновывалось необходимое количество ориентированных трещин, создаваемых в монолитном массиве.

Рис. 3. Разупрочнение кровли в демонтажной камере (ш. Березовская, ш. им. 7 ноября)

Рис. 4. Разупрочнение кровли для сохранения повторно используемых выработок и снижения нагрузок на охраняемые целики (ш. Кирова, ш. Алардинская, ш. Полосухинская)

Опытно-промышленные испытания метода показали, что расслоение прочных монолитных кровель является технологической операцией, которая необходима не только для создания благоприятных условий работы крепей и выемочных комплексов, но и осуществления борьбы с такими динамическими яв-

лениями, как горные удары и внезапные выбросы угля и газа. В настоящее время данный метод широко внедряется на шахтах Кузбасса [5-10] и польскими специалистами на шахте «Покуй» в различных технологических схемах в качестве основного средства борьбы с горными ударами [11].

2. Поинтервальный гидроразрыв угольного пласта в технологическом процессе его дегазации

Извлечение метана на стадии подготовительных работ представляет технические трудности, потому что угольный пласт мало затронут опытными работами и по этой причине отсутствует развитая техногенная сеть дегазационных поверхностей и каналов. Существующими средствами дегазации, применяемыми в России, извлекается от 20 до 30 % общего объёма выделяющегося метана. Вследствие недостаточной их эффективности на многих газообильных шахтах России сохраняется газовый барьер, препятствующий достижению высоких скоростей проведения выработок и больших нагрузок на очистные забои. По этой причине в угледобывающей промышленности сложилась парадоксальная ситуация, когда технические возможности средств очистной выемки не могут быть реализованы в полной мере. Этим объясняется низкая производительность труда и высокая степень травматизма. В то же время современная стратегия развития подземной угледобычи предусматривает создание шахт с высоким уровнем концентрации и интенсификации горных работ.

Для повышения эффективности предварительной дегазации неразгруженных пластов угля до начала очистных работ и текущей дегазации разгружаемых от горного давления угленосных толщ разработан принципиально новый способ получения максимального дебита скважины - способ направленного поинтервального гидроразрыва дегазационной скважины (рис. 5) [12, 13].

Сущность этого метода заключается в образовании протяжённых дренажных каналов высокой проводимости в окрестности скважин за счёт раскрытия естественных нарушений при распространении новых трещин. Совокупный результат по снижению метанообильности в зоне работы комбайна будет выше «чистой» дегазации, а сроки его достижения в 3-4 раза меньше, при дополнительном эффекте по снижению запылённости. Пакер позволяет достигать плотностей щелей гидроразрыва до 5 на 1 п. м скважины.

\ газопровод \ буровой станок

Рис. 5. Схема проведения поинтервального гидроразрыва пласта

Одна щель обеспечивает многократное увеличение дебита газа, повышая эффективность дегазации в радиусе 10 м. Направленный поинтервальный гидроразрыв приводит к образования дренажных каналов высокой проводимости и протяжённости в окрестности скважин за счёт раскрытия естественных нарушений и распространения новых трещин.

Рис. 6. Станок СБР-400

Для реализации данного метода, разработаны технологические схемы, создан и испытан на шахтах полный комплект оборудования для осуществления направленного гидроразрыва, включающий [14]:

• буровые станки (СБР-400, СБУ-300) для бурения скважин на всю длину очистного забоя из горных выработок с автоматическим перехватом штанги, станки СПБ для бурения скважин по углю и горным породам (рис. 6) [15, 16, 17];

• щелеобразователь для нарезки инициирующих щелей, обеспечивающих направленность их развития при гидроразрыве (рис. 7);

• пакеры, позволяющие повысить надёжность герметизации нарезаемой инициирующей щели с двух сторон (рис. 8) [18];

• установку для нагнетания воды (УНВ2М160) в угольный пласт (рис. 9) [19].

Средства для нарезания поперечных щелей на стенках шпуров - щелеобразователи (рис. 7) выполнены в виде стакана с продольными окнами, в котором перекрёстно установлены режущие органы, толкатель, перекрёстные оппозитные направляющие

а)

б)

Рис. 7. Шелеобразователи

уклоны, пружина возврата и пружина для фиксации режущих органов в исходное положение. Относительно указанных уклонов режущие органы могут выходить из продольных окон стакана по оппозитным направляющим уклонам при перемещении толкателя.

Пакер для реализации гидроразрыва пород в скважине (рис. 8) - представляет собой полый корпус с отверстиями для рабочей жидкости, на концах которого закреплены упругие уплотнительные элементы, выполненные в виде стакана,

Рис. 8. Пакеры (диаметром: а - 76 мм, б - 45 мм)

Рис. 9. Установка для нагнетания воды УНВ2М160

соединённого открытой частью с полым корпусом. При этом в полости корпуса установлен гидравлический золотник управляющий работой пакера.

Выполненные научно-исследовательские работы легли в основу создания технологии, обеспечивающей снижение объёмов бурения дегазационных скважин в 3 и более раза при одновременном увеличении интенсивности и глубины дегазации угольных толщ не менее чем в 2 раза и получения на выходе метано-воздушных смесей. Достижение указанных параметров позволяет повысить безопасность добычи угля за счёт его дегазации, снизить опасность внезапных выбросов метана и проявлений горных ударов вследствие частичной разгрузки массива от напряжений трещинами, а также уменьшить вредные выбросы метана в атмосферу.

Значительная часть исследований была выполнена в научной школе академика М.В. Курлени (НШ-534.2012.5). Другая часть - экспериментальные и теоретические результаты, полученные в ИУ СО РАН, позволила перейти к реализации их на угольных шахтах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Оганесян С.А. Авария в Филиале «Шахта Тайжина» ОАО ОУК «Южкузбассуголь» - хроника, причины, выводы // Уголь, 2004, № 6, С. 25-28.

2. Цивка Ю.В., Петров А.Н. Гидродинамические явления на руднике Баренцбург архепилага Шпицберген // Уголь, 2005, № 7, С. 49-50.

3. Инструкция по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на выемочных участках. - Ë., 1991. - 102 с. ВНИМИ.

4. Хеллан К. Введение в механику разрушения. - М.: Мир, 1988.

5. Чернов О.И. Гидродинамическая стратификация монолитных пород в качестве способа управления труднообрушаемой кровли // ФТПРПИ. - 1982. - № 2. - С. 18-22.

6. Клишин В.И. Адаптация механизированных крепей к условиям динамического нагружения. - Новосибирск: Наук, 2002. - 200 с.

7. Клишин В.И., Зворыгин Л.В., Лебедев А.В., Савченко А.В. Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений. Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т горного дела. - Новосибирск: Издательский дом «Новосибирский писатель», 2011. - 524 с.

8. Козовой Г.И., Рыжов А.М., Волков И.И. Интенсивные технологии монтажа-демонтажа высокопроизводительного очистного оборудования. // - М.: Изд-во ОО «Международная академия связи». - 2005. -164 с.

9. Чернов О.И., Кю Н.Г. О флюидоразрыве породных массивов // ФТПРПИ. - 1988. - № 6, С. 81-92.

10. Клишин В.И., Бучатский В.М., Коновалов Л.М. Поддержание и сохранение подготовительных выработок анкерной крепью при посадке кровли направленным гидроразрывом // Уголь, 2007, № 6. С. 40-43.

11. Джевецки Я. Новые методы предотвращения опасности горных ударов. Глюкауф, 2002, № 2 (3).

12. Клишин В.И., Кокоулин Д.И., Кубанычбек Б., Дурнин М.К Разупрочнение угольного пласта в качестве метода интенсификации выделения метана. - Уголь, № 4, 2010.

13. Пат. № 2472941 РФ. Способ гидроразрыва угольных пластов/ Клишин В.И., Кокоулин Д.И. -Опубл. в БИ № 2, .2013.

14. Клишин В.И., Курленя М.В. Создание оборудования для дегазации угольных пластов на принципе гидроразрыва горных пород. Уголь № 9, 2011, С. 34-38.

15. Клишин В.И., Кокоулин Д.И., Кубанычбек Б., Гуртенко А.П. Станок для бурения разведочных, дегазационных и технических скважин СБР - 400. - ФТПРПИ, № 4, 2010.

16. Клишин В.И., Кокоулин Д.И., Клишин С.В., Гуртенко А.П. Исследование характера изменения прочности бурового става в зависимости от режимов бурения и глубины скважины. // ГИАБ, Отдельный выпуск № 2, 2012, С. 9-16.

17. Клишин В.И., Кокоулин Д.И., Кубанычбек Б., Гуртенко А.П. Исследование характера механических сопротивлений, возникающих при

бурении глубоких скважин.// ГИАБ, Отдельный выпуск, 2011, № 9, С. 113-130.

18. Пат.№ 123064 Р.Ф. Скважинное устройство для осуществления гидроразрыва горных пород./ Клишин В.И., Кокоулин Д.И., Клишин С.В.-Опубл. В БИ № 35 , 2012.

19. Пат. № 129148 РФ. Щелелобразователь./ Клишин В.И., Курле-ня М.В., Кокоулин Д.И.- Опубл. в БИ № 17 , 2013. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Клишин Владимир Иванович - директор ИУ СО РАН, чл.-корр. РАН, klishinvi@icc.kemsc.ru, Федеральное государственное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук, Курленя Михаил Владимирович - академик РАН, kurlenya@misd.nsc.ru, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук.

По Постановлению Сибирского отделения Российской академии наук от 04.07.2013 № 245 с 09 июля 2013 года исполняет обязанности директора ИГД СО РАН.

Писаренко Марина Владимировна - кандидат технических наук, доцент, ученый секретарь, mvp@icc.kemsc.ru, Федеральное государственное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.