Эффективность нагнетания воды в пласт в целях предупреждения горных ударов

21.05.2018
ПермНИУИ в качестве показателя эффективности нагнетания воды в пласт использовалась относительная напряженность увлажненного угольного массива. Последняя оценивалась по частоте и силе динамических проявлений горного давления, по поведению крепи выработок, боковых пород и угольного массива, по количеству буровой мелочи, образующейся при бурении скважин, и по ее крупности, по скорости сближения боковых пород, а также по скорости распространения в угольном массиве ультразвуковых и сейсмических волн.

Нагнетание воды в пласт может быть эффективным только при определенных параметрах, обеспечивающих необходимые в конкретных условиях приросты влажности угля и равномерность увлажнения угольного массива. Таким образом, задача определения эффективности являлась многоплановой: для ее решения требовалось изучить естественную влажность угля, выявить закономерности распространения влаги в пласте после нагнетания в него воды и оценить степень равномерности увлажнения массива, увязав все это с параметрами нагнетания.

Экспериментальные работы были проведены в течение 1963—1967 гг. в двух подготовительных и восьми очистных забоях шахт им. Урицкого, им. Крупской и нм. Калинина. Кроме того, был использован и обобщен опыт увлажнения пласта в 24 очистных забоях. Во всех случаях для нагнетания воды в пласт использовались серийные насосные установки типа УПВ-1 или УНВ-2 и ручные герметизаторы, в которых для запора скважин используются резиновые манжеты, расширяющиеся ручным винтом после установки герметизатора в скважине. Эти герметизаторы позволяют осуществлять запор скважины на глубине до 5 м. Бурение скважин осуществлялось серийными ручными сверлами ЭР-16, электросверлами с принудительной подачей ЭРП-5 или буровым станком БС-1. Нагнетание проводилось до тех пор, пока не появлялись внешние признаки завершения увлажнения: отпотевание груди забоя, прорыв воды, прекращение динамических проявлений горного давления, стабилизация давления воды в скважине.

В задачу экспериментов в подготовительных выработках входила оценка напряженного состояния целиков, охраняющих эти выработки, и определение времени, в течение которого нагнетание воды обеспечивает ударобезопасность массива. Для экспериментальных работ были выбраны штреки № 202 и 294 шахты им. Урицкого, расположенные на глубине соответственно 960 и 850 м. Мощность пласта составляла 1,0—1,6 м, угол падения изменялся от 20 до 35°. Целики около обеих выработок, особенно около штрека № 202, до начала экспериментальных работ были сильно напряжены, о чем свидетельствовали хлопки, толчки и удары с выбросами угля.

Изучение напряженного состояния целиков включало визуальные наблюдения за проявлениями горного давления, измерения сближения боковых пород и «прозвучивание» массива ультразвуком.

В процессе визуальных наблюдений фиксировались все изменения, происходящие с пластом угля и боковыми породами, определялись направление и размеры трещин и заколов, состояние крепи, оценивалась сила динамических проявлений горного давления и подсчитывалась их частота. Динамические явления фиксировались в процессе бурения увлажнительных и контрольных скважин, которые пробуривались как в верхних (на глубину до 7—8 м), так и в нижних (на глубину 4—5 м) целиках.

Для измерения сближения пород на участке штрека № 202 длиной 180 м было оборудовано 8 замерных станций, оснащенных измерительными стойками с индикаторами часового типа.

Измерение скорости распространения ультразвука в различных точках пласта проводилось с помощью пьезоэлектрических датчиков, вводившихся в параллельные скважины диаметром 45 мм,. Скважины были расположены друг от друга на расстоянии 60—80 см, В качестве датчиков использовались кристаллы сегнетовой соли размером 20х20х20 мм, заключенные в тонкую резиновую оболочку с касторовым маслом.

Конструкция датчиков, помещенных в корпуса, позволяла излучать и принимать поток энергии упругих колебаний в направлении, перпендикулярном оси скважины.

При измерениях скорости прохождения ультразвука использовались два датчика, каждый из которых мог служить и излучателем и приемником. В качестве измерителя был употреблен сейсмоскоп ПИК-7.

Основная частота колебаний кристаллов составляла 140 кгц, точность отсчета — 5 мк/сек. Акустический контакт между датчиками и массивом достигался заполнением скважин водой.

Шаг «прозвучивания» (расстояние между последовательными положениями датчиков в скважинах) был принят равным 0,50, 0,25 и 0,20 м. Глубина «прозвучивания» достигала 5 м.

В течение всего времени экспериментальных работ определялась влажность угля. Пробы представляли собой мелочь, образующуюся при бурении увлажнительных и контрольных скважин. Отбор проб проводился по всей длине каждой из скважин с интервалом 1—1,5 м. Влажность угля определялась согласно действующим ГОСТам.

В процессе исследований было пробурено 92 увлажнительных и 109 контрольных скважин, а также 23 скважины для «прозвучивания» массива.

Бурение большинства скважин для первоначального нагнетания сопровождалось хлопками и толчками. Несколько скважии на необходимую глубину пробурить не удалось из-за зажатия бурового инструмента.

В результате динамических явлений в некоторых скважинах возникали «котлы», затруднявшие или делавшие невозможной герметизацию. Бурение этих скважин дало повышенный выход крупного штыба. Динамические явления наблюдались преимущественно на глубине от 2 до 4 м.

Несколько скважин было пробурено в надработанной зоне, Здесь бурение динамическими явлениями не сопровождалось.

В процессе первоначального нагнетания воды по всем увлажнительным скважинам отмечены динамические проявления горного давления, причем наибольшая их сила и частота были зафиксированы при нагнетании воды в верхние целики. В ряде случаев нагнетание сопровождалось отжимом угля на глубину до 1 м.

Характер изменения проявлений горного давления в процессе первоначального нагнетания воды в пласт можно проиллюстрировать примером.

При бурении одной из скважин (№ 14), расположенной в 10 м от забоя штрека № 202, начиная с глубины 2,5—3 м, наблюдались хлопки и толчки, буровые штанги зажимало, из скважин выносило много крупного штыба. Скважина была пробурена на глубину 7 м по верхнему целику и загерметизирована на глубине 3 м. По обе стороны от нее на расстоянии 1,5 м были пробурены два контрольных шпура глубиной по 4 м. После включения насосной установки УНВ-1 давление нагнетания достигло 250—300 атм. Через 7 мин после начала нагнетания была отмечена серия хлопков средней силы, после чего вода вышла в контрольный шпур, пробуренный со стороны участка, увлажненного ранее. Давление снизилось до 200—250 атм. Спустя 18 мин после начала нагнетания снова было несколько средней силы хлопков и вода вышла из контрольного шпура, пробуренного со стороны неувлажненного участка.

На 20-й минуте нагнетания было зафиксировано два сильных хлопка, сопровождавшихся осыпанием и отжимом угля из целика.

Еще через 10 мин произошла целая серия сильных хлопков и из контрольных шпуров струями пошла вода. Динамические явления стали слабыми, у верхнего целика расслоились подкровельные пачки пласта и на границе угля и кровли появились струйки воды. Давление нагнетания при полностью перекрытом сливном кране на насосной установке снизилось до 150 атм и нагнетание было прекращено. Общая продолжительность нагнетания составила 105 мин. В конце нагнетания наблюдалось потрескивание крепи, вызванное сдвижением боковых пород.

Подобные же явления в большей или меньшей степени происходили при нагнетании воды во все скважины. Кроме того, во многих случаях увлажнение угля сопровождалось поломкой элементов крепи штрека — стоек и верхняков.

Интенсивность динамических проявлений горного давления при увлажнении требует особой осторожности при ведении работ: рабочим не следует находиться вблизи увлажнительной скважины, предварительно должны быть установлены зоны повышенной напряженности, которые могут возникнуть вблизи увлажнительных скважин в результате перераспределения опорных нагрузок, и т. п.

В процессе нагнетания воды в пласт наблюдается интенсивное сближение боковых пород, величина которого достигает 3—4 мм, при скорости 0,7—0,8 мм/час.

Наиболее сильно влияние увлажнения сказывается на расстоянии до 14—16 м по обе стороны от увлажнительной скважины. Максимум скорости сближения располагается в среднем на расстоянии 3—3,5 м впереди увлажнительной скважины (со стороны неувлажненного массива), причем это расстояние во всех случаях составляет примерно половину длины увлажнительной скважины.

Если принять, что величина сближения боковых пород характеризует качество работ по увлажнению пласта, то для получения наилучшего эффекта расстояние между скважинами не должно превышать глубины скважины. Замеры влажности угля между двумя соседними увлажнительными скважинами и построенные по ним изогипсы влажности (рис. 114) свидетельствуют о том, что влажность уменьшается по мере удаления от скважин и по середине между ними имеет минимальные значения. Поэтому уменьшение расстояния между скважинами во всех случаях приводит к повышению влажности.

После обработки пласта в течение одного месяца сближение пород в наблюдаемых условиях происходит с повышенными скоростями. В дальнейшем наблюдается стабилизация их до величин, равных первоначальным (до увлажнения).

Результаты измерений скорости распространения ультразвука в угольном массиве до и после нагнетания воды обработаны в виде кривых зависимости скорости упругой волны V от глубины расположения датчиков в скважине.

Как показывает один из характерных графиков (рис. 115), скорость распространения упругих волн до нагнетания воды в пласт монотонно возрастает по мере удаления датчиков от устья скважин и имеет ярко выраженный максимум на глубине 4—4,5 м.

После нагнетания картина меняется: максимум скорости смещается в глубь массива, появляется несколько промежуточных максимумов и минимумов, свидетельствующих о неравномерности увлажнения, градиент скорости в среднем уменьшается.

Уменьшение напряжений ведет к снижению скорости упругих волн. С другой стороны, заполнение пор и трещин водой ведет к возрастанию скорости, так как в воде упругие волны распространяются быстрее, чем в тазовой среде.

В результате взаимодействия этих факторов (напряжение, влажность) и возникает сложная картина изменения скорости.

Сопоставление скоростей волн, определенных до и после нагнетания воды в пласт, позволяет выделить в массиве три зоны.

В первой из них (краевая зона глубиной до 1,5 м) наблюдается увеличение скорости после увлажнения. Эта зона наиболее нарушена горными работами и горным давлением, пересечена трещинами. При минимальной несущей способности она испытывает незначительные напряжения. Здесь возрастание скорости за счет заполнения трещин водой преобладает над снижением скорости за счет напряжения. Во второй зоне (от 1,5 до 4,5 м) наблюдается общее уменьшение скорости после увлажнения. Вследствие повышенных сжимающих нагрузок толщины не могут сильно раскрыться, и поэтому факторы, снижающие скорость, оказываются сильнее факторов, повышающих ее. В третьей зоне (за 4,5 м) отмечается возрастание скорости после увлажнения массива. В эту зону перемещается максимум опорной нагрузки, вследствие чего плотнее закрываются трещины, фактор напряжения подавляет другие факторы и приводит к увеличению скорости.

Измерение скорости ультразвука после повторного увлажнения (рис. 115) свидетельствует о том, что при условии качественного проведения первоначального увлажнения дополнительная обработка угольного массива водой не оказывает заметного влияния на распределение напряжений в пласте.

Таким образом, исследования в натурных условиях с помощью ультразвука показали, что нагнетание воды в угольный пласт приводит к перераспределению напряжений в угле и смещению максимума опорных нагрузок в глубь массива, вследствие чего краевая зона массива становится менее напряженной и менее подверженной горным ударам.

Как известно, в высоконапряженных удароопасных пластах при проникновении бурового инструмента в глубь массива угля возникают динамические проявления в виде потрескиваний, хлопков, толчков, т. е. отмечается сейсмическая активность пласта, связанная с концентрацией напряжений.

Наблюдения, проведенные до нагнетания воды в пласт, показали, что бурение абсолютного большинства скважин вызывало эти проявления, причем максимум их был приурочен к глубине от 2 до 4 м. Бурение на этой глубине сопровождалось, как правило, интенсивными хлопками, толчками, а также выталкиванием бурового инструмента из скважины.

Бурение контрольных скважин после обработки пласта нагнетанием воды по середине между увлажнительными скважинами показало, что глубина, при которой начиналось возникновение хлопков, составляла 3,5—4,5 м (до нагнетания — 2—2,5 м). При этом динамические проявления наблюдались только на тех участках, на которых при проведении экспериментальных работ по нагнетанию из-за различных причин не удалось провести качественное увлажнение. В подавляющем большинстве контрольных скважин (47 из 52) на глубине до 6—7 м, т. е. до глубины увлажнительных скважин, нагнетание почти полностью исключило признаки, свойственные высоконапряженному пласту.

При повторном нагнетании через контрольные скважины интенсивное сближение боковых пород, а также хлопки и толчки наблюдались только на тех участках, где ранее увлажнение было некачественным и где бурение контрольных скважин показало повышенную сейсмическую активность. В большинстве случаев сближение пород при повторном нагнетании было в 7—20 раз меньше, чем при первоначальном.

Изложенное свидетельствует об эффективности применения нагнетания для снижения удароопасности, а также о возможности использования контрольного бурения шпуров и повторного нагнетания для контроля качества работ по увлажнению угольного массива.

В задачу экспериментальных работ в очистных забоях (как и в подготовительных выработках) входило изучение изменений проявлений горного давления, степени напряженности угольного массива и влажности угля.

Исследования были проведены в двух очистных забоях шахты им. Урицкого (лавы № 203-бис и 205), в пяти забоях шахты им. Калинина (лавы № 324, 423в, 423н и 326в, 326н) и в одном очистном забое шахты им. Крупской (лава № 612). Во всех этих или соседних лавах ранее наблюдались горные удары.

Общая характеристика лав приведена в табл. 21. В каждой из них наблюдения проводились от 1,5 до 4 месяцев и предусматривали сравнение результатов исследований до и после нагнетания воды в пласт, В процессе визуальных наблюдений устанавливалась целостность угольного пласта и боковых пород в призабойном пространстве, состояние и характер обрушения пород кровли в выработанном пространстве, состояние призабойной и специальной крепи, интенсивность динамических проявлений при бурении скважин. Инструментальными наблюдениями устанавливалось сближение боковых пород. Для этого использовались измерительные стойки типа СУ с индикаторами часового типа и самописцами. Кроме того, при оценке напряженности угольного массива учитывались следующие факторы:

1) частота и сила динамических проявлений горного давления;

2) выход и фракционный состав штыба, образующегося при бурении скважин;

3) скорость распространения упругих колебаний в угольном массиве.

Сила динамических проявлений горного давления фиксировалась в процессах бурения увлажнительных скважин, скважин для отбора проб штыба и подрубки пласта врубовой машиной. Для этого использовались сейсмоприемники СПЭД-56 и выходной стрелочный прибор — миллиамперметр чувствительностью 5 ма. Частота динамических проявлений оценивалась визуально.

Увеличение объема и изменение гранулометрического состава штыба с ростом напряженности объясняется осыпанием стенок скважин, связанным с динамическими явлениями в массиве.

Для определения выхода и фракционного состава штыба в пласт пробуривали по 2—3 скважины глубиной до 6 м.

Буровая мелочь, выходящая из скважины, улавливалась и собиралась в маркированные мешки, каждый из которых содержал штыб с одного погонного метра глубины скважины. Затем, после подсушивания, с помощью мерного сосуда определялся объем штыба, а просеиванием через специальные сита — фракционный состав ( + 7 мм; -7 + 5 мм; -5 +3 мм; -3 + 2 мм; -2 + 1 мм и -1 мм).

Метод оценки напряженности угольного массива по скорости распространения упругих колебаний основывается на установленной зависимости упругих свойств угля от давления.

Для измерения скорости распространения колебаний в угольном массиве осуществляли взрыв зарядов BB в скважинах глубиной 3—6 м, пробуренных со стороны груди очистного забоя на расстоянии 10 м друг от друга. Упругие волны, возникавшие при взрыве, возбуждали электрические импульсы в сейсмоприемниках типа СПЭД-56, которые были укреплены в коротких шпурах, пробуренных со стороны штрека. Эти импульсы записывались на шлейфовом осциллографе Н-700 с гальванометрами типа М601-1 А.

Средняя лучевая скорость распространения упругих колебаний определялась по формуле
Эффективность нагнетания воды в пласт в целях предупреждения горных ударов

где L — расстояние от пункта взрыва до сейсмоприемиика;

T — время прохождения волны.

Методика и результаты определения изменений влажности угля будут рассмотрены ниже.

При визуальных наблюдениях за изменениями проявлений горного давления при увлажнении угля в очистных забоях во всех случаях установлены явления, аналогичные тем, которые наблюдались в охранных целиках подготовительных выработок.

В процессе увлажнения происходят толчки, хлопки, отжим угля, отмечается усиленное потрескивание крепи. Нахождение людей вблизи (до 10 м) увлажнительной скважины небезопасно. После завершения увлажнения, когда последующее нагнетание не приводит к дальнейшему снижению давления воды в скважине, интенсивность и количество динамических проявлений горного давления значительно снижаются.

При ведении очистных работ после обработки пласта нагнетанием динамические проявления горного давления или отсутствуют или наблюдается резкое снижение их частоты и интенсивности. Выемочные машины при работе по увлажненному углю работают с большей производительностью и меньшими удельными затратами энергии. Так, замеры, сделанные в лаве № 612 шахты им. Крупской во время работы комбайна УКР-1К, показали, что нагнетание воды в пласт в условиях этой лавы снижает мощность, потребляемую двигателем комбайна, в среднем на 25%, а энергоемкость — на 30%.

В отдельных случаях, главным образом при работе с полным обрушением, отмечены некоторое изменение шага посадки и характера обрушения основной кровли. Например, в лаве № 205 шахты им. Урицкого наблюдалось образование трещин в кровле, параллельных очистному забою впереди него в угольном массиве, что, не вызывая аварийных последствий, приводило к уменьшению шага посадки труднообрушающейся кровли. В отдельных случаях, по-видимому, при ослаблении угольного массива в зоне, примыкающей к очистному забою, может потребоваться при применении нагнетания усиление призабойной и специальной крепи. Отрицательного влияния нагнетания на состояние кровли в пределах призабойного пространства обнаружено не было.

Влияние нагнетания воды в пласт на сближение боковых пород в пределах призабойного пространства может быть проиллюстрировано результатами наблюдений в лаве № 326. Этими наблюдениями было охвачено 3 выемочных цикла до нагнетания воды в пласт и 9 выемочных циклов в период ведения работ с увлажнением угольного массива. Сравнение сближения пород до нагнетания воды в пласт и после его применения дается в табл. 22, в которой оба параметра относятся к точкам, удаленным от забоя на расстояние 3,9 м. Как видно из таблицы, скорости сближения пород как до, так и после нагнетания в пласт воды колебались в довольно широких пределах: до нагнетания — от 1,15 до 2 мм/час, а после нагнетания — от 1,60 до 5,10 мм/час. Средние скорости сближения составили: до нагнетания воды в пласт — 1,49 мм/час, после увлажнения — 2,75 мм/час, т. е, средняя скорость сближения возросла в 1,8 раз. При этом возросла также абсолютная величина сближения, хотя средняя продолжительность цикла значительно уменьшилась.

Изложенное позволяет с достаточным основанием считать, что нагнетание воды в пласт вызывает значительное ослабление угольного массива.

Значительные объемы работ были выполнены для оценки изменений напряженного состояния угольного массива, происходящих в результате нагнетания в пласт воды. Так, в одной лишь лаве № 326н шахты им. Калинина наблюдениями было охвачено 16 выемочных циклов (табл. 23). Полученные данные использовались для построения графиков и диаграмм, характеризующих относительную напряженность массива.


На рис. 116 показан график, отражающий изменения выхода штыба при бурении скважин и сейсмоактивности пласта до и после проведения эффективного нагнетания воды в массив в лаве № 625 шахты № 2-Капитальная.

Из рисунка видно, что после увлажнения массива при бурении скважин выход штыба и сейсмоактивность пласта резко снизились. До нагнетания максимальный выход буровой мелочи достигал 26 кг/пог. м, а после проведения нагнетания он не превышал 4 кг/пог. м. Что касается сейсмоактивности массива, то после нагнетания она на глубине до 4 м не обнаруживалась вообще. Таким образом, можно сделать вывод, что максимум напряжений в массиве, до нагнетания воды располагавшийся на глубине 3—4 м от забоя, после эффективного нагнетания сдвинулся вглубь.

Результаты, аналогичные описанным, получились во всех случаях, когда увлажнение массива было достаточно равномерным. При этом, с использованием методов оценки напряженности как по сбору штыба, так и сейсмоакустики, получалась качественно одинаковая картина распределения напряжений.

Сравнение результатов измерений скорости распространения упругих волн в кровле впереди очистного забоя до и после нагнетания в лаве № 326и также позволило установить перераспределение напряжений в угольном массиве впереди очистного забоя, заключающееся в уменьшении максимума напряжений и удалении его в глубь массива.

Учитывая идентичность результатов оценки напряженного состояния угля б массиве до и после увлажнения, проведенной различными методами: по объему и фракционному составу штыба, образующегося при бурении шпуров, по сближению боковых пород в призабойном пространстве, по частоте и силе динамических проявлений и по скорости прохождения упругих волн, можно считать, что каждый из этих методов применим для контроля напряженного состояния пласта. Однако предпочтение должно быть отдано наиболее простому и удобному методу регистрации динамических проявлений по их силе и частоте.

Таким образом, экспериментальные работы, проведенные в подготовительных выработках и в очистных забоях, показали эффективность применения предварительного увлажнения пласта для снижения его удароопасности.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: