CC BY
48
© 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.
