Гидрорыхление угольного пласта. Гидрорыхление основано на высоконапорном нагнетании воды в пласт и широко применяется в очистных и подготовительных выработках на пластах, если обеспечивается бурение и герметизация скважин на заданную глубину и поступление воды в пласт или отдельные его пачки.
Сущность гидрорыхления пласта в очистных и подготовительных выработках несколько иная, чем при вскрытии пластов и заключается в следующем. В направлении проведения выработки бурят ручными электро- или пневмосверлами скважины диаметром 40-45 мм, которые герметизируют шланговыми гидрозатворами отечественного производства или фирм «Хельтер» (Германия), «Таурус» (Венгрия) др. Глубина герметизации схважин принимается равной протяженности зоны эффективной трещиноватости призабойной части пласта, а за ее пределы через фильтрующую часть скважины в область неупругкх деформаций пласта нагнетается вода под высоким давлением. Проникая в микротрещины этой области, вода производит рыхление пласта, сопровождающееся интенсивной дегазацией и увеличением безопасной зоны разгрузки.
К параметрам способа относятся: диаметр, длина и глубина герметизации скважин, расстояние между скважинами, величина неснижаемого опережения скважинами забоя выработки, количество, давление и темп нагнетания воды.
Длина скважин 6-9 м, глубина герметизации lг = 4-7 м. Величина неснижаемого опережения принимается равной фильтрующей части скважин и составляет lн.о. = 2 м. Расстояние между скважинами не должно превышать 2Rэф, т. е двух радиусов эффективного нагнетания воды в пласт, который определяется в зависимости от глубины герметизации и составляет Rэф ≤ 0,8 lг.
Расчетный удельный расход воды должен составлять не менее 20 л/т, а количество воды, нагнетаемое в одну скважину, определяют по формуле
где m – мощность пласта, м; γу –удельный вес угля, т/м3.
Давление нагнетания воды принимается Рн = (0,75-2,0)γН, МПа при темпе нагнетания не менее 3 л/мин.
Число скважин принимают в зависимости от ширины полосы угольного массива подлежащей гидрорыхлению и расстояния между концевыми частями скважин не менее 2Rэф. При этом в подготовительной выработке число скважин должно быть не менее двух.
В подготовительных выработках пологих пластов кутковые скважины бурят на расстоянии 1 м от кутков с наклоном 5-7º в сторону массива. В подготовительных выработках крутых пластов верхнюю скважину бурят на расстоянии 1 м от кутка с подъемом 5-7º к линиии простирания, нижнюю – горизонтально на расстоянии 0,5 м от подошвы выработки.
В очистных забоях с прямолинейной формой забоя скважины бурят перпендикулярно забою, при этом скважины каждого последующего цикла бурят между скважинами предыдушего цикла гидрорыхления. В комбайновых нишах на пологих пластах скважины бурят на расстоянии 1 м от кутков с наклоном 5-7º в сторону массива. В потолкоуступных лавах крутых пластов одну скважину располагают на расстоянии 1 м от кутка, под углом 5-7º с подъемом к линии простирания, остальные — по простиранию на расстоянии не более 2Rэф.
Гидрорыхление считается законченным, если в скважину подано расчетное количество воды и давление воды снизилось не менее чем на 30% от максимального давления нагнетания.
Контроль эффективности гидрорыхления осуществляют по динамике газовыделения или по параметрам акустического сигнала в контрольных шпурах. Выемку угля после гидрорыхления допускается производить не более чем на глубину герметизации скважин lг.
Схемы расположения скважин и шпуров для контроля эффективности гидрорыхления в подготовительных и очистных забоях пологих и крутых пластов приведены на рисунке 21.15.
Рисунок 21.15 – Схемы расположения скважин: 1 для гидрорыхления и шпуров 2 для конроля эффективности способа а), б) – в подготовительной выработке, нише и комбайновой части лавы пологого пласта; в) – в штреке и уступах лавы крутого пласта
На шахтах оборудованных сейсмопрогнозом применяют оперативное управление гидрорыхлением в соотвествии с Руководством по применению способа управления процессом гидрорыхления пласта по параметрам акустического сигнала. Способ предусматривает регистрацию акустического сигнала, формирующегося при бурении скважин и нагнетании воды в угольный пласт, и последующую его обработку на персональном компьютере.
При бурении скважины определяется величина зоны разгрузки lр и положение максимума опорного давления lо, о чем оператор сообщает горному мастеру и заносит их значения в наряд-путевку.
Если расстояние от забоя до максимума опорного давления lо больше или равно расчетной глубине герметизации lг, то нагнетание производится при расчетной глубине герметизации. Если 3 м < lо < lг, то нагнетание производится при глубине герметизации, равной расстоянию от забоя до максимума опорного давления. Если lо < 3 м, то нагнетание не производится, а дальнейшее проведение подготовительной выработки, выемка в нише или на участке забоя лавы, величина которого равна расстоянию между крайними скважинами с lо < 3 м, увеличенному в обе стороны на 0,5 м интервала между скважинами, осуществляется буровзрывным способом в режиме сотрясательного взрывания.
При нагнетании воды в скважину регистрация акустического сигнала производится непрерывно после достижения давления в гидросистеме 10 МПа.
Для регистрации акустического сигнала в очистном забое сейсмоприемник (подземный блок АПСС) устанавливается на расстоянии 3-10 м от скважины и подключается к системе передачи сигнала на поверхность или к РАМШ. В подготовительной выработке сейсмоприемник располагается на расстоянии 2-5 м от забоя в стенке со стороны нагнетаемой скважины. Сейсмоприемник закрепляется путем расклинивания в шпуре диаметром не менее 42 мм, расположенном в угле или вмещающих его породах на глубине 0,3-0,5 м.
При снижении давления на величину 30% и более от достигнутого максимального горный мастер запрашивает оператора об эффективности процесса гидрорыхления. При наличии на дисплее компьютера сообщения «Активный процесс завершен» он может прекратить гидрорыхление. Если сообщение о завершении активного процесса отсутствует, нагнетание продолжают до закачивания расчетного количества воды. Активный процесс гидрорыхления считается завершенным, если после достижения максимального значения амплитуды низкочастотной составляющей зафиксировано ее снижение.
Гидрорыхление считается эффективным, если активный процесс завершен и давление и гидросистеме упало на 30% и более от достигнутого максимального, а при величине зоны разгрузки менее глубины герметизации дополнительно необходимо, чтобы частота максимальной амплитуды не превышала 120 Гц или коэффициент ее вариации во временных интервалах был более 15%.
Если гидрорыхление оценено как эффективное, то безопасная глубина выемки равна глубине герметизации скважины, и контроль эффективности путем определения зоны разгрузки не применяется.
Если гидрорыхление оценено как неэффективное, то безопасная глубина выемки принимается равной величине зоны разгрузки, установленной при бурении скважины для нагнетания, за вычетом неснижаемого опережения 1,3 м. В следующую смену производится повторное нагнетание.
Образование разгрузочных пазов. Область применения способа — подготовительные и очистные выработки крутых (уступы лав) и пологих (ниши лав и комбайновая часть в местах геологических нарушений) пластов.
Сущность способа, показанная на примере применения разгрузочных пазов в подготовительной выработке пологого пласта, заключается в «перерезке» пласта в кутках забоя, что приводит, вследствие устранения отпора стенок, к развитию деформаций упругого восстановления и обратной ползучести пласта, и, как следствие, к формированию безопасной зоны разгрузки в призабойной части пласта таких размеров и формы, которая позволяет безопасно выполнять работы по выемке угля минимум на один цикл выемки (рис. 21.16).
Рисунок 21.16 – Безопасная зона разгрузки пласта до 1 и после 2 образования разгрузочных пазов 3 в подготовительной выработке
Разгзручные пазы должны удовлетворять следующим требованиям (параметрам): плоскость паза должна быть перпендикулярна к кровле (почве) пласта; паз должен быть сплошным на всю мощность пласта; ширина паза должна составлять 60-80 мм; глубина паза не должна превышать 2,5 м; минимальное неснижаемое опережение пазом забоя должно быть не мене 1 м.
Разгрузочные пазы в нишах лав на пологих пластах образуют в кутках на расстоянии не более 0,5 м от стенок ниши, и ориентируют в направлении подвигания лавы.
Разгрузочные пазы в подготовительных выработках пологих пластов располагают на расстоянии 0,5 м от стенок угольного забоя под углом 5-10о к оси выработки в сторону угольного массива. Аналогично ориентируют разгрузочные пазы в штреках на крутых пластах: один в нижнем кутке (у подошвы), другой в верхнем кутке.