Патент на изобретение №2310758

(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПРИЗАБОЙНОЙ ЧАСТИ МАССИВА

(57) Реферат:

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для обеспечения безопасности при разработке выбросоопасных угольных пластов. В направлении проведения выработки по вмещающим породам на расстоянии 5-15 м от угольного пласта бурят наблюдательную скважину длиной, равной 0,4-0,6 длины опережающих скважин, устанавливают в ней датчик вибрации и наблюдают акустическую эмиссию из угольного пласта, вызываемую бурением каждой опережающей скважины. Эмиссию регистрируют при бурении каждого очередного интервала опережающей скважины в двух энергетических классах, отличных по энергии в 4-6 раз, и по соотношению количества импульсов акустической эмиссии в разных классах, определенному для каждого интервала длины опережающей скважины судят о глубине зоны разгрузки. Наибольшую возможную длину заходки в следующем цикле горных работ определяют по снижению соотношения количества импульсов акустической эмиссии до значений, зарегистрированных в начале скважины при ее бурении в ранее разгруженной зоне. После окончания бурения очередной опережающей скважины ожидают затухание процесса генерации импульсов акустической эмиссии, вызванного нарушением равновесия в массиве от влияния этой скважины, контролируют щупом смыкание стенок опережающей скважины и при установлении смыкания стенок опережающей скважины рассчитывают диаметр зоны влияния скважины по математической формуле. Повышается точность определения зоны разгрузки и зоны влияния каждой отдельной скважины, безопасность ведения горных работ. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для обеспечения безопасности ведения очистных и подготовительных работ и при разработке выбросоопасных угольных пластов.

Известен способ определения зоны разгрузки угольного пласта (SU, №1303730 А1, кл. Е21F 5/00, опубл. 15.04.1987 г.), включающий бурение скважины, регистрацию сейсмоприемником упругих колебаний в массиве горных пород, измерение средних значений амплитуд упругих колебаний при непрерывном бурении скважины по длине лав и по их изменению устанавливают расстояние от устья скважины до границы зоны разгрузки, при этом за величину зоны разгрузки по длине скважины принимают расстояние от устья скважины в глубину массива, на котором рост или постоянство среднего значения амплитуд упругих колебаний сменяется его понижением, а глубину выемки угля принимают равной наименьшему значению величины зоны разгрузки по длине скважины.

Среднее значение амплитуд – это величина, зависящая от множества параметров: стабильности акустического контакта между буровой коронкой и массивом, свойств среды на пути распространения сигнала, от методики обработки сигнала (который является нестационарным как в широком, так и в узком смысле этого термина), от способа взаимного расположения датчика вибрации буровой коронки и привода бурового станка. Ввиду принципиальной неустранимости проблем при той организации измерений, которая описана в аналоге, невозможно определить ту составляющую в заявленных средних значениях амплитуд, которая соответствует зависимости от зоны разгрузки.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ определения зоны разгрузки краевой части угольного пласта (SU, №1642041 А1, кл. Е21F 5/00, опубл. 15.04.1991 г.), по которому устанавливают сейсмоприемник с датчиком вибрации на расстоянии 0,5-2 проектной глубины бурения скважины от устья скважины, оптимизируют регистрацию и анализ сейсмоакустического сигнала, определяют амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) сигнала, определяют одновременно среднее значение амплитуд низкой и высокой частот и их отношение, а за величину зоны разгрузки принимают расстояние до середины участка, на котором одновременно среднее значение амплитуды высокой частоты уменьшается, а отношение средних значений амплитуд низкой частоты к высокой увеличивается.

Данное изобретение не может быть реализовано по следующим причинам:

– расположение датчика вибрации на обнажении массива на расстоянии 0,5-2 проектной глубины бурения скважины от устья скважины приводит к тому, что шум работающего привода бурового станка надежно заглушает звук буровой коронки, которая по данному способу является средством диагностики состояния массива на разных глубинах;

– возбуждение пород кровли или почвы серией ударов по неподготовленной поверхности не позволяет стандартизировать процедуру возбуждения, поэтому в так называемой «ближней» зоне возбудителя волновая картина нестабильна, а малая длительность удара по кровле (почве) не позволяет реализовать спектральный анализ с достаточной достоверностью и спектральным разрешением;

– анализ звукового сопровождения бурения скважин показывает, что по мере увеличения точности анализа стабильность частотного состава сигналов исчезает, а форма огибающего спектра значительно усложняется, что ставит под сомнение саму возможность интерпретации спектров по данному способу.

Существенные признаки ближайшего аналога, совпадающие с признаками заявляемого объекта: установка датчика вибрации массива; регистрация акустического сопровождения бурения опережающих скважин по углю и поинтервальное определение параметров, характеризующих состояние массива.

Задачей заявляемого изобретения является усовершенствование способа контроля состояния призабойной части массива, в котором за счет введения новых операций обеспечивается повышение точности определения зоны разгрузки и зоны влияния каждой отдельной скважины, а также безопасности ведения горных работ.

Поставленная задача решается тем, что в способе контроля состояния призабойной части массива, включающем установку датчика вибрации массива, регистрацию акустического сопровождения бурения опережающих скважин по углю и поинтервальное определение параметров, характеризующих состояние массива, по изобретению предварительно в направлении проведения выработки по вмещающим породам на расстоянии 5-15 м от угольного пласта бурят наблюдательную скважину длиной, равной 0,4-0,6 длины опережающих скважин, устанавливают в ней датчик вибрации и наблюдают акустическую эмиссию (АЭ) из угольного пласта, вызываемую бурением каждой опережающей скважины, при этом АЭ регистрируют при бурении каждого очередного интервала опережающей скважины в двух энергетических классах, отличных по энергии в 4-6 раз, и по соотношению количества импульсов АЭ в разных классах, определенному для каждого интервала длины опережающей скважины, судят о глубине зоны разгрузки, причем наибольшую возможную длину заходки в следующем цикле горных работ определяют по снижению соотношения количества импульсов АЭ до значений, зарегистрированных в начале скважины при ее бурении в ранее разгруженной зоне и после окончания бурения очередной опережающей скважины ожидают затухание процесса генерации импульсов АЭ, вызванного нарушением равновесия в массиве от влияния этой скважины, контролируют щупом смыкание стенок опережающей скважины и при установлении смыкания стенок опережающей скважины рассчитывают диаметр зоны влияния скважины по формуле

,

где D – диаметр зоны влияния скважины;

d – диаметр опережающей скважины;

– относительное количество буровой мелочи (штыба) в сравнении с расчетным, а при отсутствии учета штыба считают равным 1;

– коэффициент вторичного уплотнения угля, равный 0,95-0,97.

Расположение датчика вибрации в наблюдательной скважине длиной 0,4-0,6 от длины опережающей скважины, пробуренной на расстоянии 5-15 метров от угольного пласта, обеспечивает благоприятное соотношение между энергией сигналов импульсов АЭ и акустических помех, сопровождающих различные технологические операции (в первую очередь, подавление шума привода бурового станка) и относительную стабильность длины пути распространения сигналов АЭ. Таким образом, создаются благоприятные условия для изучения АЭ, генерируемой в ближайшей окрестности опережающей скважины.

Регистрация АЭ в энергетических классах, отличающихся по энергии в 4-6 раз обеспечивает помехоустойчивость измерений путем исключения условий для ошибочного определения энергетического класса конкретного события АЭ.

Контролирование щупом наличия смыкания стенок скважины позволяет достоверно определить факт завершения деформаций в окрестности опережающей скважины, при этом условии достигается максимально возможный разгружающий эффект опережающей скважины.

Измерение количества буровой мелочи (штыба) во время бурения позволяет уточнить зону влияния скважины, поскольку отражает факт выдавливания угля в скважину (смыкание стенок) в процессе бурения.

Из механики разрушения известно, что энергия импульсов АЭ подчиняется распределению Пуассона, т.е. четкой границы между импульсами с «большой» и «малой» энергиями не существует. Это создает значительные затруднения при организации измерений. Разбиение всего интервала возможных энергий импульсов АЭ на два класса, отличающихся между собой в 4-6 раз, позволяет стандартизовать процедуру измерений. Как показывает эксперимент, «выбрасывание» из рассмотрения некоторого количества импульсов АЭ с энергией промежуточных значений между классами является приемлемой «ценой» по сравнению с важностью стандартных измерений энергии импульсов.

Буровая коронка имеет малый диаметр по сравнению с толщиной пласта. Согласно теории упругости первоначальная зона влияния опережающей скважины сравнима по масштабу с диаметром скважины, т.е. зона возмущения массива мала, и реакция массива в любой форме целиком связана с ближайшей окрестностью скважины.

Поскольку АЭ является реакцией массива на механическое возмущение, постольку все импульсы АЭ, регистрируемые при бурении опережающих скважин, могут быть отнесены к реакции массива вблизи зоны возмущения. Эксперимент это подтверждает: при остановке бурового станка генерация импульсов АЭ прекращается через несколько (1-5) минут.

Параметры импульсов АЭ зависят от степени активности среды (физико-механических свойств угольного пласта и действующих напряжений) и являются более адекватной характеристикой выбросоопасного пласта, чем параметры ближайшего аналога.

Сущность способа поясняется чертежом, на котором представлен график, характеризующий зависимость количества импульсов АЭ от глубини скважины.

Способ осуществляют следующим образом.

В 17 западном конвейерном штреке пласта, проводимом по выбросоопасному пласту 1₁, в качестве профилактического мероприятия, направленного на борьбу с опасностью газодинамических явлений, бурили опережающие скважины. Эффективность этих скважин контролировали с помощью регистрации параметров АЭ. Диаметр скважины 76 мм; коэффициент вторичного сжатия был установлен в лабораторных условиях и составил значение около =0,97.

Было установлено, что акустические помехи от забойного и вспомогательного оборудования заглушают сигналы АЭ при всех известных способах установки датчиков вибрации массива. При установке датчиков в наблюдательной скважине обеспечивается наилучшее соотношение между энергией сигналов АЭ и акустических помех.

Другой проблемой наблюдений является неравенство пути распространения сигналов (от очага импульса АЭ до датчика вибрации) и зависимость измеряемых параметров импульсов АЭ от этого пути.

Расположение скважины во вмещающих породах на расстоянии 5-15 метров от контролируемого пласта и длина скважины, равная 0,4-0,6 предполагаемой длины опережающей скважины, обеспечивают наименьший разброс путей распространения при разумных расходах на организацию наблюдений. Как следует из элементарных геометрических построений, расстояние между датчиком вибрации и предполагаемым очагом импульса АЭ изменяется не более чем в 2-3 раза. А при установке датчика у устья скважины или на глубине, равной предполагаемой длине скважины, расстояние между датчиком вибрации и предполагаемым очагом импульса АЭ изменяется не менее чем в 10-40 раз.

Бурение скважин осуществляли поинтервально, метровыми отрезками и на каждом интервале фиксировали величину v относительного объема буровой мелочи по сравнению с расчетным объемом.

После окончания бурения очередной скважины ожидали некоторое время, после которого генерация импульсов АЭ прекращалась, это свидетельствовало о том, что процесс пластических деформаций в окрестности скважины завершен и достигнут максимально возможный разгружающий эффект, а диаметр зоны влияния скважины (разгрузки) определяют по формуле: .

Для повышения надежности суждений о существенности процесса пластических деформаций щупом устанавливали наличие смыкания стенок скважины и рассчитывали диаметр зоны влияния скважины. При расчете диаметра зоны влияния скважин №1 и №3 было установлено, что за практически целесообразный интервал времени ожидания влияния скважины их стенки не были разрушены и, таким образом, зона влияния этих скважин меньше, чем необходима. Поэтому между скважинами №1 и №3 была пробурена дополнительная скважина, после чего необходимая величина разгрузки была достигнута.

Пример.

Результаты наблюдений и расчетов при бурении скважины №5 сведены в таблицу.

Зависимость относительной энергии (см. столбец IV таблицы) импульсов АЭ от глубины скважины строили в виде графика, представленного на чертеже. На этом графике выделили три зоны: I – зона пластических деформаций, которая осталась от предыдущих действий по борьбе с газодинамическими явлениями; II – зона повышенного горного давления, в которой происходят максимальные пластические деформации и достигается наибольшее разгрузочное действие скважин; III – зона, в которой действие опережающих скважин незначительно.

В ходе практических измерений установили, что показатель интенсивности пластических деформаций в окрестности скважины, вычисляемый как соотношение количества импульсов АЭ в указанных классах энергии, имеет характер, указанный на чертеже. Такое распределение позволяет надежно выделить зону пластических деформаций I, унаследованную краевой частью массива в результате предыдущих воздействий на пласт, зону повышенного горного давления II, в которой действующие напряжения и физико-механические свойства пласта обуславливают наибольшие пластические деформации и максимально возможный разгружающий эффект опережающих скважин, и зону III, в которой действие опережающих скважин незначительно (в этой зоне относительное количество импульсов АЭ уменьшилось до значений, соизмеримых с зоной I). Таким образом определяется безопасная величина заходки в следующем цикле проходки – она равна сумме протяженностей зон I и II.

Формула изобретения

Способ контроля состояния призабойной части массива, включающий установку датчика вибрации массива, регистрацию акустического сопровождения бурения опережающих скважин по углю и поинтервальное определение параметров, характеризующих состояние массива, отличающийся тем, что предварительно в направлении проведения выработки по вмещающим породам на расстоянии 5-15 м от угольного пласта бурят наблюдательную скважину длиной, равной 0,4-0,6 длины опережающих скважин, устанавливают в ней датчик вибрации и наблюдают акустическую эмиссию из угольного пласта, вызываемую бурением каждой опережающей скважины, при этом акустическую эмиссию регистрируют при бурении каждого очередного интервала опережающей скважины в двух энергетических классах, отличных по энергии в 4-6 раз, и по соотношению количества импульсов акустической эмиссии в разных классах, определенному для каждого интервала длины опережающей скважины, судят о глубине зоны разгрузки, причем наибольшую возможную длину заходки в следующем цикле горных работ определяют по снижению соотношения количества импульсов акустической эмиссии до значений, зарегистрированных в начале скважины при ее бурении в ранее разгруженной зоне и после окончания бурения очередной опережающей скважины, ожидают затухание процесса генерации импульсов акустической эмиссии, вызванного нарушением равновесия в массиве от влияния этой скважины, контролируют щупом смыкание стенок опережающей скважины и при установлении смыкания стенок опережающей скважины рассчитывают диаметр зоны влияния скважины по формуле

где D – диаметр зоны влияния скважины;

d – диаметр опережающей скважины;

– относительное количество буровой мелочи (штыба) в сравнении с расчетным, а при отсутствии учета штыба считают равным 1;

– коэффициент вторичного уплотнения угля, равный 0,95-0,97.

РИСУНКИ