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

пористость 7,26—9,3%, увлажнение по отдельным межслоевым контактам и трещинам происходит несколько дальше этого рас­ стояния.

Расчет радиуса увлажнения для скважины № 10, произведен­ ный по формуле (12), показывает, что при длине фильтрующей части скважины 45 м, общем объеме закачанной жидкости 80,7 м3 и общей пористости 8,3% он

составит 11 м.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

Движение жидкости в по­ родном массиве следует рас­ сматривать как движение в трещиновато-пористых средах.

Полученная расчетная фор­ мула для определения эффек­ тивного радиуса увлажнения массива труднообрушаемых кровель Интинского месторож­ дения с достаточной точностью определяет возможную зону увлажнения вокруг нагнета­ тельных скважин.

Эффективный радиус ув­ лажнения песчаников основ­ ных кровель Интинского мес­

торождения при дебите воды в скважину 50—60 м3 составляет 7—8 м, при 80 м3— 11 м, а при максимальном его значении (120— 130 м3) — 13—15 м.

§ 5. ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГИДРООБРАБОТКИ ПОРОДНОГО МАССИВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ ТРУДНООБРУШАЕМЫМИ КРОВЛЯМИ

Одним из определяющих факторов эффективного применения способа управления труднообрушаемыми кровлями тидрообработкой породного массива является выбор параметров для различных горно-геологических условий.

К параметрам гидрообработки массива труднообрушаемых кровель относятся оптимальные зоны гидрообработки и необходи­ мое опережение работ, углы заложения, длина скважин и глубина герметизации устья, расстояние между ними, режимы и продол­ жительность нагнетания.

Для определения параметров установлены следующие требо­ вания и условия:

нагнетание жидкости в породный массив необходимо произво­

30

дить в такие участки основной кровли, которые но фильтрацион­ ным свойствам являются оптимальными;

минимально допустимое расстояние нагнетательной скважины от линии забоя на момент начала гидрообработки следует выби­ рать с таким расчетом, чтобы произвести низконапорное увлаж­ нение и иметь резерв во времени для последующего напорного нагнетания;

фильтрующую часть скважины необходимо располагать в слое труднообрушаемой кровли, создающем основную пригрузку на крепь в момент вторичных осадок;

нагнетательная скважина не должна создавать в породах ос­ новной кровли значительного перераспределения напряжений и ослабления массива при подходе очистного забоя. В то же время ее необходимо располагать с таким расчетом, чтобы для гидро­ обработки можно было наиболее полно использовать наличие си­ стем трещиноватости;

концевую часть тампонажной пробки необходимо располагать в основной кровле и надежно изолировать ее контакт с непосред­ ственной кровлей. При этом минимальное расстояние от начала фильтрующей части скважины до контакта с. пластом выбирается с таким расчетом, чтобы вероятность значительного увлажнения пород непосредственной кровли была наименьшей;

выбор режимов нагнетания следует производить с учетом есте­ ственной приемистости скважины и изменения ее в зависимости от напряженного состояния массива, количества закачанной жидкости и характеристики нагнетательного оборудования.

Лабораторные и шахтные исследования, а также промышлен­ ные испытания и внедрение способа управления труднообрушаемыми кровлями гидрообработкой породного массива, проведенные в условиях комбината Интауголь, позволили установить оптималь­ ные параметры заложения скважин и режимы гидрообработки с учетом описанных выше требований.

Шахтными и лабораторными исследованиями установлено, что впереди движущегося очистного забоя можно выделить две харак­ терные зоны, которым будет соответствовать выбор режимов гидрообработки. Наиболее оптимальной для нагнетания жидкости, с точки зрения изменения фильтрационных характеристик, явля­

массива в режиме напорного увлажнения и последующего гидро­ разрыва. Зону невозмущенного массива (более 60 м от линии очистного забоя) можно рассматривать как вспомогательную, без­ напорное и низконапорное увлажнение в которой будет способст­ вовать повышению эффективности гидрообработки. При мощности основной кровли более 12 м расстояние между забоем скважины и линией очистного забоя на момент начала гидрообработки дол­ жно составлять не менее 60 м, т. е. скважины необходимо вводить

31

в работу вне зоны возмущения массива в низконапорном режиме. На основе изучения и обобщения горно-геологических и горно­ технических факторов и опыта работы в 15-ти очистных забоях шахт Интинского месторождения определены параметры заложе­

ния нагнетательных скважин (табл. 4).

Эффективный радиус увлажнения песчаников основных кро­ вель Интинского месторождения при общем количестве жидкости 50—60 м3, введенном в скважину, составляет 7—8 м, при Q, рав­ ном 80 м3, — 11 м, а максимальное его значение (при Q, равном 120—130 м3) составляет 15 м. Таким образом, при мощности ос­ новной кровли 10—15, 15—20 и более 20 м минимальные расстоя­ ния между скважинами составляют соответственно 35, 30 и 25 м.

Кроме этого эффективный радиус увлажнения можно опреде­ лить по зависимости

(13)

где Q — объемная скорость нагнетания, м3/мин; t — время нагне­ тания, мин; /ф —длина фильтрующей части скважины, м; т 0 — общая пористость пород в долях единицы.

Из исследований видно, что минимальное расстояние от нача­ ла фильтрующей части скважины до разрабатываемого пласта должно составлять не менее 0,6 ЯЭф. Глубина герметизации на­

выемочными участками, длина тампонажной пробки увеличивается до 30 м.

Исследования фильтрационных характеристик массива в зонах с различным напряженным состоянием показали, что пористость и проницаемость пород, оказывающие значительное влияние на процесс фильтрации жидкости, на определенных участках этих зон оказываются неодинаковыми. Поэтому величина давления и скорость нагнетания для каждой зоны будут иметь разные значе­ ния. Градационным критерием выбора режима гидрообработки может служить величина приемистости скважины. Теоретически оптимальный режим увлажнения возможен при равенстве темпа нагнетания и приемистости скважины. В тех случаях, когда темп нагнетания будет превышать удельное водопоглощение (приеми­ стость) скважины, возникнет режим гидроразрыва, так как не­ достаточная приемистость скважины будет способствовать быст­ рому росту избыточного давления. При темпах нагнетания, мень­ ших или равных приемистости скважины, будет происходить фильтрация жидкости в режиме увлажнения.

В табл. 5 приведены оптимальные параметры и режимы на­ гнетания для различных зон, полученные для условий Интинского месторождения при использовании высоконапорных установок УНВ-2. На основе этих параметров разработаны технологические схемы обработки породного массива. С учетом горно-геологических

условий Интинского месторождения, характеризующихся большой изменчивостью мощности основной кровли, отнесенной по клас­ сификации ПечорНИИГТроекта к трудно- и весьма труднообрушаемой, можно применить технологические схемы (рис: 17).

При мощности основной кровли т0.к, равной 8—9-кратной тпл (до 25 м), рекомендуется применение одноярусных скважин. Одноярусное бурение скважин можно применять в двух модифи­ кациях— одно- и двустороннее. При длине лав менее 120 м целесообразно применять односторонние одноярусные схемы. При этом выбор места заложения скважины (с конвейерного или рель­ сового штрека) будет определяться направлением трещиноватости пород и возможностью установки бурового -оборудования. Однако с точки зрения технологичности бурения и герметизации предпо­ чтительней бурение восстающих скважин.

При мощности основной кровли /п0.к более 9-кратной тпл (бо­ лее 25 м) бурение нагнетательных скважин в один ярус не обес­ печивает равномерного увлажнения массива. В этом случае для повышения эффективности увлажнения целесообразно бурение скважин в два яруса с таким расчетом, чтобы минимальное рас­ стояние между соседними нагнетательными скважинами за зоной герметизации составляло не менее 0,7 Raф. Выбор высоты зало­ жения второго яруса скважин должен соответствовать высоте предполагаемой зоны увлажнения. При двухъярусном заложении скважин можно применять две схемы — одностороннюю при длине лав до 120 м и двустороннюю — при длине лав более 120 м. Кроме этого для конкретных горно-геологических условий можно применять комбинированную схему, сочетающую отдельные эле­ менты описанных выше схем.

Промышленные испытания и внедрение технологических схем в различных горно-геологических условиях Интинского месторож-

34

дения показали их высокую эффективность, обеспечили возмож­ ность применения механизированных комплексов на участках с труднообрушаемыми кровлями и достижение нагрузки 1000—1200 т/ сут на очистной забой.

Рис, 17. Технологические схемы заложения нагнетательных скважин:

1, 2 —- одноярусных; 3, 4 — двухъярусных

§ 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ С БОКОВЫМИ ПОРОДАМИ ПРИ ОТРАБОТКЕ ПЛАСТА МОЩНОСТЬЮ 3,5—4,2 м

Одним из направлений совершенствования технологии разра­ ботки пласта Мощного Воркутского месторождения является вы­ емка его одним слоем на полную мощность с применением меха­ низированных комплексов.

Для оценки работоспособности механизированных комплексов ОМКТ, КМ-81э и ЭКМ при различной вынимаемой мощности пласта в шахтных и лабораторных условиях изучались особенности проявлений горного давления и характер взаимодействия крепей с боковыми породами.

3* 35

Общая мощность пласта составляет 3,6—4,5 м, угол падения — 15—32°. На глубине 500—700 м пласт является опасным или угро­ жаемым по динамическим проявлениям горного давления. Непосредстенная кровля сложена трещиноватыми аргиллитами и алевролитами. Основная кровля представлена алевролитами, пе­ реслаивающимися песчаниками. На отдельных участках алевроли­ ты основной и непосредственной кровли замещаются прочными

песчаников — 700—1250 кгс/см2.

В шахтных условиях проявления горного давления изучались

Изучались устойчивость кровли, строение и физико-механические свойства боковых пород, а также несущая способность отдельных пачек пласта.

Лабораторные исследования проводились на четырех плоских моделях из гипсовых эквивалентных материалов. Размеры моде­ лей составляли 450X180X20 см, а внешняя пригрузка —0,3 кгс/см2.

Выемка пласта на полную мощность производилась с моделями крепи ЭКМ и КМ-81 (рис. 18), а верхнего слоя-—ОМКТ и КМ-81.

На всех моделях крепей производились измерения нагрузок на стойки и козырьки и их податливость. По модели крепи ЭКМ про­ изводились также измерения нагрузок на рычаги, траверсы и опо­ ры, а по модели ОМКТ — на рычаги и траверсы. Дополнительно

36

измерялись смещения кровли и напряжения в почве пласта. Для измерений применялись тензометрические устройства, индикаторы часового типа и масштабное фотографирование.

Для повышения достоверности измерений параметров проявле­ ния горного давления в зависимости от вынимаемой мощности исследования слоевой отработки пласта и его выемки в один слой однотипными комплексами проводились, как правило, на одной модели. Линейный масштаб моделей составлял 0,05, силовой — 75Х Ю~6 и масштаб времени — 8.

Исследования отработки верхнего слоя и выемки пласта на полную мощность с моделями крепи ОМКТ и ЭКМ проведены в трех моделях. При этом воссоздавались боковые породы средней устойчивости, характерные для условий испытаний и эксплуатации комплекса ОМКТ на шахте «Промышленная» и труднообрушаемые, встречающиеся на отдельных участках шахты «Централь­ ная». Вынимаемая мощность соответствовала 2,4 и 4,2 м*.

При отработке верхнего слоя и выемке пласта в один слой с крепью КМ-81 моделью имитировались боковые породы пласта Мощного в условиях испытания и эксплуатации комплекса на шахте «Центральная». Вынимаемая мощность соответствовала 2,5

и 3,6—3,8 м.

При установившемся сдвижении пород во всех моделях на­ блюдалось последовательное беспорядочное обрушение за крепью нижних слоев кровли и упорядоченное перемещение взаимосвя­ занными блоками вышележащих слоев, которые можно отнести к основной кровле. Блоки основной кровли, разворачиваясь в местах разрыва пород, образовывали продольно-распертый свод, опирающийся с одной стороны на обрушенные породы непосред­ ственной кровли в выработанном пространстве и с другой — на угольный пласт. Подвижка блоков и нарушение устойчивости сво­

лях можно установить, что при увеличении вынимаемой мощности пласДа от 2,4 до 4,2 м в одинаковых горно-геологических условиях в 1,5—2 раза возрастает мощность беспорядочно обрушающихся пород непосредственной кровли и примерно на 10% увеличивается коэффициент их разрыхления. Снижается степень подбучивания основной кровли и увеличивается угол разворота ее блоков при осадках, а также увеличивается ширина свода пород по прости­ ранию. Это вызывает увеличение смещений кровли в поддерживае­ мом пространстве очистного забоя, нагрузок на крепь, концентра­ ции напряжений в призабойной зоне, а также увеличивает отжим угля.

Результаты измерений в моделях даны в пересчете на натуру.

37

При увеличении мощности от 2,4 до 4,2 м смещения кровли возрастают примерно в 1,5 раза, а максимальная концентрация напряжений — в 1,2—1,3 раза.

При отработке пласта на полную мощность с крепью ЭКМ средние нагрузки на поддерживающую часть крепи находились в пределах 13—22 тс/м2 и на оградительную —8—25 тс/м2. Макси­ мальные нагрузки соответственно составили 35—50 и 20—32 тс/м2.

Максимальные нагрузки на стойку достигали 110 тс и на 10— 15% превышали нагрузки на стойку крепи ОМКТ. Общая нагруз­ ка на секцию крепи ЭКМ была больше на 20—30%.

Измерениями отмечена значительная неравномерность распре­ деления нагрузок на лыжи при горизонтальном расположении крепи. Так, например, суммарная средняя нагрузка на вынесен­ ную лыжу примерно в 2,8 раза меньше, чем на лыжу, находящуюся под секцией крепи ЭКМ. Средние нагрузки на задние опоры со­ ставляли 8—20% от нагрузок на передние опоры. На задних опорах часто регистрировались растягивающие усилия. Это ука­ зывает на возможную продольную неустойчивость крепи в шахт­ ных условиях. Во многих случаях, особенно в условиях кровель средней устойчивости, наблюдалась недостаточная контактируемость козырька с кровлей, и крепь преимущественно работала как оградительная. Нагрузки на козырек крепи примерно в 1,5— 2 раза меньше, чем на козырек крепи ОМКТ в аналогичных условиях.

При отработке верхнего слоя с крепью ОМКТ средние нагруз­ ки на поддерживающую часть крепи находились в пределах 30— 34 тс/м2 и на оградительную— 10—12 тс/м2. Максимальные на­ грузки составили соответственно 50—55 и 20—28 тс/м2. В модели, имитирующей боковые породы пласта на шахте «Промышленная», максимальные нагрузки на стойку при осадках основной кровли практически не превышали номинальной несущей способности

(80 тс).

При испытании и эксплуатации комплекса ОМКТ на шахте «Промышленная» установлено, что крепь с системой устойчивости, разработанной ПечорНИИПроектом обеспечивает надежное и эффективное поддержание кровли при выемке верхнего слоя пласта при углах падения 15—25°.

По сравнению с существующей технологией очистных работ по. верхнему слою применение комплекса позволило увеличить на­ грузку на забой, производительность труда на выход и снизить себестоимость 1 т угля по участку примерно в 3 раза.

При отработке пласта в один слой мощностью 3,6—3,8 м с крепью КМ-81 наблюдалась продольная неустойчивость секций и наклоны стоек по простиранию. Это выражалось в резких подвиж­ ках верхняка под действием динамических нагрузок на огражде­ ние или постепенных его перемещениях на забой и разворотах на завал с наклоном стоек при вторичных осадках основной кровли.

При наклоне ограждения к почве пласта на угол 70—75° стой­

39