книги из ГПНТБ / Технология добычи и обогащения углей в Печорском бассейне [коллектив. моногр

ной кровли на увлажненном участке наблюдалось более плотное подбучивание основной кровли, что явилось одним из основных факторов снижения проявлений вторичных осадок. Это подтвер­ ждается результатами инструментальных измерений. Из рис. 10 видно, что при осадках основной кровли в течение выемочного цикла средние нагрузки и. податливость на увлажненном участке

Расстояние am ж$оя,м

Рис. 11. Изменение сближения кровли и почвы в призабойном про­ странстве лава при отработке пласта Одиннадцатого:

соответственно составили 62,2 тс и 3,4 мм; на неувлажненном участке эти величины достигли 75,8 тс и 9,6 мм, или были больше в 1,2 и 2,8 раза. При установившемся сдвижении пород на увлаж­ ненном участке средние нагрузки и податливость составили соот­ ветственно 56,8 тс и 2,5 мм, или в 1,15 и 2,35 раза меньше, чем на неувлажненном участке; максимальные значения этих величин в первом случае составили 81 тс и 7,4 мм и во втором — 93 тс и

24 мм.

На рис. 11 приведены графики сближения кровли и почвы в призабойном пространстве лавы в зависимости от расстояния до очистного забоя, из которых видно, что на увлажненном участке на расстоянии от забоя 1,25, 2,5, 3,75 и 5,0 м сближения соответ­ ственно равны 20, 51, 98 и 256 мм; на неувлажненном участке на тех же расстояниях величина сближения возрастает' в 2,1— 4,5 раза.

20

Результаты исследований проявления горного давления в ув­ лажненной и неувлажненной зонах, проведенных в шахтных и лабораторных условиях, приведены в табл. 3,

Исследованиями установлено, что гидрообработка труднообрушаемой кровли улучшает ее обрушаемость. Это выражается в снижении зависающей консоли, увеличении мощности регулярно обрушающейся кровли за крепью и степенью подбучивания.

При вторичных осадках в увлажненной зоне шаг обрушения пород основной кровли уменьшается в 1,5—2,8 раза по сравнению с шагом обрушения в неувлажненной зоне. В увлажненной зоне нагрузки на крепь снижаются в 1,2—1,5 раза по сравнению с нагрузками в неувлажненной зоне. Средние значения просадок гидростоек крепи в увлажненной зоне снижаются в 1,5—2,5 раза.

21

§ 3. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ЗОН ГИДРООБРАБОТКИ ТРУДНООБРУШАЕМЫХ КРОВЕЛЬ

В Печорском угольном бассейне на участках с труднообрушаемыми кровлями, площадь распространения которых составляет более 30%, широко применяется способ управления кровлей гид­

обеспечило значительную экономическую эффективность примене­ ния механизированных комплексов и высокую безопасность работ в очистных выработках.

Одним из определяющих условий надежности и эффективности применения этого способа управления кровлей является обосно­ ванный выбор оптимальных зон гидрообработки.

При отработке угольного пласта во вмещающем массиве ус­ ловно можно выделить две характерные зоны напряженного со­ стояния пород: зону возмущения пород кровли влиянием очистной выработки и расположенную за ней зону нетронутого (невозму­ щенного) массива. Целью работы являлось уточнение оптимальных по фильтрационным параметрам зон гидрообработки. Оценка эф­ фективности нагнетания в выбранных зонах проводилась с учетом влияния механической напряженности массива на фильтрационные свойства пород.

Значения главных напряжений, действующих в нетронутом массиве, можно определить из условия уН = 01 = 02= 03- Для мас­ сива же в зоне влияния очистной выработки нельзя предположить гидростатического распределения напряжений, так как перераспре­ деление последних происходит в этой зоне практически за неболь­ шой отрезок времени, в течение которого невозможно выравнива­ ние напряжений. Этой зоне в наибольшей мере может соответство­ вать распределение напряжений по А. Н. Диннику, т. е.

допущением можно принять в виде е^О ; 82= 83—0.

Следует отметить, что породы труднообрушаемых кровель, представленные в основном мощными слоями практически одно­ родных песчаников, могут быть интерпретированы как изотропная упругая среда. Поэтому, имея в виду пропорциональность измене­ ния относительного объема пород поровому их объему, можем записать:

(2)

22

где Qr и QH.r — относительное изменение объема пор, характерное для (юрод соответственно в зоне невозмущенного массива и в зо­

упругости пород, кгс/см2.

Влияние напряженного состояния на фильтрационные харак­ теристики происходит, очевидно, в результате соответствующего изменения порового объема пород (АП). Расчитанные для пород Индийского месторож­ дения значения АП для усло­ вий нетронутого и возмущен­ ного массивов и их изменение

взоне влияния выработки

тость разгруженного от напря­ жений керна песчаника составляла 9,5%.

Из приведенного графика видно, что в области влияния очист­ ной выработки значения АП меньшие, чем в нетронутом массиве. Соответствие значений наступает только в области, в которой коэффициент концентрации напряжений равен приближенно 2. Поэтому область, в пределах которой коэффициент а изменяется от 1 до 2, в наименьшей степени испытывает изменение порового объема при перераспределении напряжений. Объем пор здесь несколько выше, чем в условиях нетронутого массива.

Используя аппаратуру АКМ-2м, в лабораторных условиях мо­ делировалось напряженное состояние песчаника труднообрушаемой кровли в различных зонах и определялась его проницаемость. Для эксперимента была взята порода, параметры которой исполь­ зовались при определении значений АП. При моделировании ус­ ловий нетронутого массива напряжения в породе принимались равными 75 кгс/см2, В условиях возмущенной зоны проницаемость

23

устанавливалась при значениях а, равных 1; 1,5; 2; 2,5 и 3. Зна­ чения напряжений 02= 'Оз рассчитывались по зависимости (1). Результаты экспериментального определения проницаемости пес­ чаника приведены на рис. 12 (кривая 2), из которого видно, что проницаемость песчаника на протяжении практически всей зоны влияния выработки имеет большие, по сравнению с нетронутым массивом значения. Различие в 2 раза и более соответствует области, характеризуемой изменением коэффициента а от 1 до 2.

Из сопоставления приведенных данных можно сделать выводы, что перераспределение напряжений, наблюдающееся в зоне влия­ ния очистной выработки, обусловливает изменение порового объе­ ма и соответствующее увеличение проницаемости пород. Однако изменение полного порового объема однозначно не определяет фильтрационные параметры породы. При значениях коэффциента концентрации более 2 полный поровый объем в зоне влияния вы­ работки и снижается на величины, превосходящие значения изме­ нений объема в нетронутом массиве (кривая 1), но проницаемость породы в первой зоне остается большей на всем ее протяжении (кривая 2). Такое положение можно объяснить с позиций диф­ ференциальной оценки дислокационных процессов, происходящих при изменении объемов эффективной и закрытой пористости пород.

Для проверки результатов, полученных лабораторными экс­

скважины от очистного забоя производилось нагнетание в массив с фиксацией количества введенной жидкости q в единицу време­ ни и поддерживаемого давления АР. По полученным данным про­ изводился расчет коэффициента проницаемости массива (на 1 м скважины) по формуле

где (х — вязкость жидкости.

Опытные работы проведены в лаве № 3 пласта Десятого шах­ ты «Восточная» и лаве № 17 пласта Одиннадцатого шахты «Ка­ питальная» в режимах низко- и высоконапорного нагнетания. Изменения коэффициента проницаемости массива К п.м в зависи­ мости от удаления скважины от очистного забоя приведены на рис. 13 (кривая 1). На графике можно выделить две зоны увели­ чения Кп.ы' наибольший рост коэффициента проницаемости мас­ сива наблюдается на расстоянии 6—17 м впереди очистного забоя,

24

Исследованиями ПечорНИИПпроекта установлено, что для условий бассейна впереди движущегося забоя в нижней части массива составляющего основную кровлю отрабатываемого пласта, наблюдаются деформации сжатия и расслоения. На рис. 13 (кри­ вая '2) приведен график деформации пород по глубинному реперу, заложенному на расстоянии 18 м от пласта. Из графика видно,

величинами смещения пород основной кровли впереди движуще­ гося забоя показывает, что оптимальными, с точки зрения увели­ чения коэффициента проницаемости, являются зоны, отстоящие от линии забоя от 5—7 до 15—18 м и от 25 до 45 м. В этих зонах наиболее целесообразно производить гидрообработку массива в режиме напорного нагнетания и гидроразрыва.

§ 4. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОГО РАДИУСА УВЛАЖНЕНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА

На шахтах Интинского месторождения нашел широкое про­ мышленное применение разработанный ПечорНИИПроектом спо­ соб управления труднообрушаемыми кровлями гидрообработкой через длинные скважины, пробуренные впереди очистного забоя.

Определение оптимального расстояния между скважинами имеет немаловажное значение, поскольку от правильного и обо­ снованного выбора этого параметра в большей мере зависит эффективность метода гидрообработки и его трудоемкость.

Минимальному расстоянию между скважинами должно соот­ ветствовать условие, при котором массив труднообрушаемых кро­ вель будет увлажнен в наибольшей мере. Поэтому основным условием является исследование эффективного радиуса увлажне­ ния, при котором влажность от нагнетания превышает естествен­ ную не менее чем на 1,5%.

Эффективный радиус увлажнения определялся на базе анали­ за теоретических исследований многих авторов, постановки шахт­ ных экспериментов и статистической обработки фактических дан­

25

ных, полученных при промышленных испытаниях этого способа управления кровлей.

Распространение жидкости в породном массиве определяется емкостью пористой среды и ее проницаемостью. Таким образом, зная коллекторские свойства массива, можно оценить границы распространения жидкости, а следовательно, и определить эффек­ тивный радиус увлажнения.

Максимально возможный объем жидкости Q m ax , введенной в

породный массив, теоретически не превышает его общую пори­ стость т0. Однако не весь объем пор может участвовать в филь­ трации жидкости при нагнетании. Многочисленные исследования

динамической т д пористостью, которая представляет собой отно­ шение площади живого сечения потока к площади пустот в виде

динамической пористости, участвующей в фильтрации жидкости г трещиноватой среде, является значительно меньшей, чем получен пая по выражению (6).

Из исследований, описанных в работе [2], видно, что не все поры в угле способны фильтровать воду при нагнетании. В связи с этим авторы разделяют общую пористость на сорбционную (пустоты до 50 А) и фильтрующую (поры от 50 А до видимых). Первая определяет статический поровый объем, вторая —динами­ ческий. Такая дифференциация пустот характерна и для горных пород [3].

Из работы [2] видно, что только 10% пор в углях при соответ­ ствующих режимах могут фильтровать гравитационную воду.

Исследованиями ПечорНИИПроекта установлено, что коэффи­ циент межгранулярной проницаемости Кп, полученный в лабора­ торных условиях для пород Интинского месторождения, не пре­ вышает 0,0855 мд, т. е. по классификации, описанной в работе [4], эти породы необходимо отнести к полунепроницаемым и в ряде случаев даже к практически непроницаемым. Однако опытное оп­ ределение коэффициента проницаемости массива Ки.м, проведен­ ное в натурных условиях для труднообрушаемых песчаников Интинского месторождения, позволило установить, что его вели­ чина в зависимости от расстояния до очистного забоя составляет от 0,1 до 0,6 мд, т. е. превышает Ки на несколько порядков вели­ чин. Таким образом, движение жидкости в породном массиве необ­

26

ходимо в основном рассматривать как фильтрацию в трещинова­ той среде.

В работах [5 и 6] описаны соотношения объема трещин и об­ щей пористости в горных породах. Авторы этих работ пришли к выводу, что объем трещин в осадочных породах составляет от 8 до 20% их общей пористости. В работе [7] указано, что в трещи­ новатой породе трещины занимают очень малый объем по сравне­ нию с объемом пор блоков, а проницаемость блоков очень мала по сравнению с проницаемостью трещин.

Анализ исследований, проведенных другими авторами, позво­ ляет предположить, что

определения возможного радиуса распространения жидкости от нагнетательной скважины можно воспользоваться расчетной схе­ мой, предложенной в работе [5].

По данным лабораторных исследований на образцах пород перпендикулярно и параллельно слоистости, величины проницае­ мости Ка в первом случае в 1,2—1,5 раза меньшие, чем во втором. Таким образом, площадь увлажнения вокруг нагнетательной скважины можно рассматривать в первом приближении как пло­ щадь эллипса, т. е.

где а и b — соответственно большая и малая ось эллипса. Средний радиус увлажнения определяется по формуле

< 9 >

при

6 = (1,2-г- 1,5) а

Д-р = (1,1 -1,23) а.

В свою очередь, средний радиус увлажнения [5] связан с ди­ намической пористостью

1ф—длина фильтрующей части скважины; г — радиус нагнетатель­ ной скважины; тА—динамическая пористость в долях единицы.

Преобразовав выражение (6) по отношению к Дср, получим

27

Так как величина г несоизмеримо мала по сравнению Rcv, то ею можно пренебречь.

Используя ранее приведенную зависимость (7), можно запи­ сать в окончательном виде

Проверка зависимости (8) подстановкой фактических данных по опытному нагнетанию в условиях Интинского месторождения показывает, что радиус распространения при общем объеме зака­ чанной жидкости 50—60 м3 в скважину составляет 7—8 м, а мак­

произведена оценка эффективного радиуса увлажнения. Методика заключалась в том, что в зоне предполагаемого увлажнения на различном расстоянии от нагнетательной скважины из очистного забоя по нормали к напластованию пробурены в кровлю три раз­

28

Для получения сопоставимых данных в нёувлажнённом масси­ ве пробурена контрольная скважина. С целью снижения факторов, влияющих на точность определения влажности, бурение контроль­ ной и разведочных скважин производилось без промывки. Влия­

скважины № 10 на 18,5 м. Увеличения влажности по сравнению с естественной в этой скважине не по­ лучено.

Наибольший прирост влажности (на 1,5—2,5%) наблюдается по скважине № 2. На рис. 16 приведен разрез этой скважины с указанием точек отбора проб и соответствующих им значений влажности. Из рис. 16 видно, что прирост влажности по данной скважине наблюдается, начиная с 3 м от контакта с пластом. Принимая эту точку за окончание эффективного радиуса увлаж­ нения, установим, что он в этих условиях составляет 10 м. Судя по значительному увеличению влажности песчаников, имеющих

29