СПОСОБ РАЗРЫВА ГОРНЫХ ПОРОД (ВАРИАНТЫ)
MINE ROCK BREAKING METHOD (VERSIONS)

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для создания в породных массивах сплошных трещин с высокой электрической проводимостью, обеспечивающих прием и передачу электромагнитной энергии, например, с целью оповещения об аварийной ситуации в шахтах и рудниках, организации связи в подземных условиях, контроля состояния горных пород вокруг выработок.
Известен способ гидравлического разрыва пласта по патенту РФ №2164290, кл. Е21В 43/26, опубл. в БИ №8, 2001 г., включающий закачку жидкости разрыва при забойном давлении выше давления разрыва пласта и создание трещины, снижение забойного давления ниже давления разрыва пласта, закачку суспензии с закрепляющим материалом и закачку продавочной жидкости с темпом, обеспечивающим подъем забойного давления выше давления разрыва пласта. Жидкость разрыва закачивают в объеме, обеспечивающем создание трещины длиной, превышающей радиус прискважинной зоны пласта сниженной проницаемости. При этом используют суспензию с закрепляющим материалом в виде геля и закачивают ее в объеме, большем объема созданной трещины.
В этом способе необходим относительно большой расход продавочной жидкости (для подачи закрепляющего материала на значительное расстояние от скважины). Закрепляющий материал в виде геля распределяется в обрабатываемой области неравномерно. Сплошной трещины, как правило, не образуется. Процесс формирования трещины практически неуправляем. Способ не предусматривает использование трещин для излучения и приема электромагнитной энергии. Поэтому способ обладает низкой эффективностью.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ разрыва пласта по патенту РФ №2334872, кл. Е21В 43/26, опубл. в БИ №27, 2008 г., включающий создание через скважину трещины и подачу в трещину закрепляющего материала в смеси с пластичным веществом. Трещину создают заданных размеров, с границей разрыва, не выходящей за забой скважины, вытеснением из скважины в пласт смеси определенного объема. После этого в скважину подают трубу, герметизируют скважину на участке нахождения смеси в трещине, а в зазор между трубой и стенками скважины нагнетают жидкость, с помощью которой вымывают из смеси пластичное вещество через зону между границами смеси и трещины и трубу.
Этот способ не обеспечивает высокую электрическую проводимость формируемой трещины. Поэтому его применение для формирования трещин с целью передачи и приема электромагнитной энергии неэффективно.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности разрыва горных пород за счет создания трещин с высокой электропроводностью, обеспечивающей возможность передачи и приема электромагнитной энергии.
Задача по первому варианту решается тем, что в способе разрыва горных пород, включающем создание через скважину трещины и подачу в нее закрепляющего материала в смеси с пластичным веществом, увеличение трещины до заданных размеров с границей разрыва, не выходящей за забой скважины, вытеснением из скважины в пласт смеси определенного объема, подачу в скважину трубы, герметизацию скважины на участке нахождения смеси в трещине, нагнетание в зазор между трубой и стенками скважины жидкости, с помощью которой вымывают из смеси пластичное вещество через зону между границами смеси и трещины и трубу, согласно предлагаемому техническому решению после вымывания из смеси пластичного вещества в трещину подают раствор соли металла, который с использованием химической реакции замещения осаждают на закрепляющий материал и поверхности трещины до образования сплошной электропроводящей прослойки, затем трещину электрически соединяют с приемопередающей системой.
Такое техническое решение позволяет создавать в породном массиве ориентированные трещины большой протяженности с высокой электрической проводимостью, обусловленной находящейся в ней электропроводящей прослойкой. Это обеспечивает передачу и прием электромагнитной энергии с диаграммой направленности, задаваемой условиями решения конкретной задачи, и с места, куда можно пробурить скважину, в том числе и на глубине, до которой добраться горными выработками не представляется возможным. В результате повышается эффективность способа за счет создания трещин с высокой электропроводностью, обеспечивающей возможность передачи и приема электромагнитной энергии.
Целесообразно использовать закрепляющий материал, содержащий частицы с высокой электрической проводимостью. Это существенно снижает расход раствора соли металла при образовании сплошной электропроводящей прослойки в трещине, что повышает эффективность способа.
Целесообразно в качестве частиц с высокой электрической проводимостью использовать частицы из металла, входящего в состав соли подаваемого раствора. Это обеспечивает однородность электропроводящей прослойки, исключающую разность потенциалов на границах разнородных металлов, что также повышает эффективность способа из-за увеличения суммарной электрической проводимости прослойки.
Задача по второму варианту решается тем, что в способе разрыва горных пород, включающем создание через скважину трещины и подачу в нее закрепляющего материала в смеси с пластичным веществом, увеличение трещины до заданных размеров с границей разрыва, не выходящей за забой скважины, вытеснением из скважины в пласт смеси определенного объема, подачу в скважину трубы, герметизацию скважины на участке нахождения смеси в трещине, нагнетание в зазор между трубой и стенками скважины жидкости, с помощью которой вымывают из смеси пластичное вещество через зону между границами смеси и трещины и трубу, согласно предлагаемому техническому решению после вымывания из смеси пластичного вещества в трещину подают раствор соли металла, который с использованием химической реакции замещения осаждают на закрепляющий материал и поверхности трещины до образования сплошной электропроводящей прослойки, затем эту первую трещину электрически соединяют с приемопередающей системой, после этого бурят вторую скважину и через нее в плоскости первой трещины создают вторую, аналогичную первой, трещину, которую соединяют с приемопередающей системой.
Такое техническое решение позволяет использовать трещины с высокой электрической проводимостью, созданные в одной плоскости и электрически связанные с приемопередающей системой, в качестве антенны с двумя лепестками (развернутый конденсатор), обладающей сравнительно узкой диаграммой направленности и усиливающим эффектом в заданной полосе частот. Используя это свойство, добиваются селективного приема электромагнитной энергии, суть которого состоит в приеме сигналов с заданного направления и области, границы которой, обусловленные градиентом затухания радиоволн, регулируют значениями принимаемых частот и уровнем принимаемых сигналов. Это существенно расширяет возможности контроля состояния породного массива вблизи горных выработок, например, по характеру электромагнитной эмиссии, возникающей при дезинтеграции (расслоении) горных пород. В результате уже на стадии приема электромагнитной энергии повышается достоверность принимаемой информации за счет снижения влияния помех, обусловленных, например, энергетическими системами подземных предприятий. Все это повышает эффективность способа за счет формирования трещин с такими (указанными выше) свойствами, которых нельзя добиться использованием других известных решений.
Целесообразно использовать закрепляющий материал, содержащий частицы с высокой электрической проводимостью. Это существенно снижает расход раствора соли металла при образовании сплошной электропроводящей прослойки в трещинах, что повышает эффективность способа.
Целесообразно в качестве частиц с высокой электрической проводимостью использовать частицы из металла, входящего в состав соли подаваемого раствора. Это обеспечивает однородность электропроводящей прослойки, исключающую разность потенциалов на границах разнородных металлов, что также повышает эффективность способа из-за увеличения суммарной электрической проводимости прослойки.
Целесообразно первую и вторую трещины создавать одновременно. Это сокращает время создания двух трещин в одной плоскости и их подсоединение к приемопередающей системе.
Задача по третьему варианту решается тем, что в способе разрыва горных пород, включающем создание через скважину трещины и подачу в нее закрепляющего материала в смеси с пластичным веществом, увеличение трещины до заданных размеров с границей разрыва, не выходящей за забой скважины, вытеснением из скважины в пласт смеси определенного объема, подачу в скважину трубы, герметизацию скважины на участке нахождения смеси в трещине, нагнетание в зазор между трубой и стенками скважины жидкости, с помощью которой вымывают из смеси пластичное вещество через зону между границами смеси и трещины и трубу, согласно предлагаемому техническому решению после вымывания из смеси пластичного вещества в трещину подают раствор соли металла, который с использованием химической реакции замещения осаждают на закрепляющий материал и поверхности трещины, первой, до образования сплошной электропроводящей прослойки, затем скважину углубляют и создают аналогичную первой вторую трещину таким образом, чтобы первая и вторая трещины находились в одной плоскости и не имели между собой электрического контакта, после этого первую и вторую трещины электрически соединяют с приемопередающей системой.
Такое техническое решение позволяет на большом расстоянии от поверхности, куда можно пробурить скважину, создавать в одной плоскости две трещины с высокой электрической проводимостью. Благодаря этому не требуется для создания двух указанных трещин бурить две отдельные скважины в одной плоскости и на заданном друг относительно друга расстоянии, выполнение чего для больших глубин экономически нецелесообразно, а технически в настоящее время не представляется возможным. Использование указанных трещин в качестве антенны из двух лепестков, развернутой на большой глубине, например на глубине шести-восьми километров, позволяет передавать радиоволны через породный массив практически на неограниченное расстояние. Обусловлено это тем, что на такой глубине породный массив в большинстве случаев состоит из гранитов и их аналогов, обладающих низкой электрической проводимостью и образующих диэлектрический слой между двумя электропроводящими поверхностями. Верхняя электропроводящая поверхность образована в основном растворами солей (океаны, соленые озера, минерализованные водоносные горизонты), а нижняя - магмой. В таких условиях радиоволны распространяются как по каналу их передачи с малым затуханием, высокой помехоустойчивостью и на большие расстояния. Таким образом, способ позволяет формировать трещины с заданными свойствами на глубине, обеспечивающей возможность создавать системы передачи электромагнитной энергии через толщу горных пород на большие расстояния, что повышает его эффективность.
Целесообразно использовать закрепляющий материал, содержащий частицы с высокой электрической проводимостью. Это существенно снижает расход раствора соли металла при образовании сплошной электропроводящей прослойки в трещинах, что повышает эффективность способа.
Целесообразно в качестве частиц с высокой электрической проводимостью использовать частицы из металла, входящего в состав соли подаваемого раствора. Это обеспечивает однородность электропроводящей прослойки, исключающую разность потенциалов на границах разнородных металлов, что также повышает эффективность способа из-за увеличения суммарной электрической проводимости прослойки.
Сущность технического решения поясняется примерами конкретной реализации и чертежами фиг.1-5.
На фиг.1 показана схема разрыва горных пород, продольный разрез; на фиг.2 - схема удаления пластичного вещества из созданной трещины; на фиг.3 - схема создания трещины с высокой электрической проводимостью и ее подключения к приемопередающей системе (первый вариант), продольный разрез; на фиг.4 - схема создания в одной плоскости двух трещин с высокой электрической проводимостью через две отдельные скважины и их подключения к приемопередающей системе (второй вариант), продольный разрез; на фиг.5 - схема создания в одной плоскости двух трещин с высокой электрической проводимостью через одну скважину и их подключения к приемопередающей системе (третий вариант), продольный разрез. Стрелками на фиг.2 показано направление движения жидкости между границами смеси и трещины.
В способе по первому варианту в массиве горных пород 1 (фиг.1) бурят скважину 2, нижнюю часть которой заполняют сыпучим материалом 3 (например, песком, гравием), а верхнюю часть - смесью 4 закрепляющего материала, содержащего частицы с высокой электрической проводимостью, и пластичного вещества. С помощью плунжера 5 смесь 4 вытесняют из скважины 2, от чего возникает и развивается трещина 6. На границе трещины 6 образуется свободная от смеси 4 зона 7 (далее зона 7). После создания трещины 6 заданных размеров с границей разрыва, не выходящей за забой скважины 2, в скважину 2 (фиг.2) подают трубу 8 (колонну труб) с герметизатором 9 на конце до упора в сыпучий материал 3. С помощью насоса 10 между трубой 8 и стенками скважины 2 нагнетают жидкость (не обозначена), которая поступает в зону 7 (между границами смеси 4 и трещины 6). Эта жидкость по зоне 7 поступает в нижнюю часть скважины 2 и вымывает из нее сыпучий материал 3, который через трубу 8 поступает в отстойник 11. Затем жидкость по указанным на фиг.2 стрелкам обтекает смесь 4 по внешней границе и вымывает из нее пластичное вещество. Жидкость с взвешенными в ней частицами пластичного вещества (суспензия) по трубе 8 поступает в отстойник 11. В отстойнике 11 нерастворимая в жидкости часть 12 пластичного вещества оседает на дно, а его растворимая часть 13 по трубе 14 перетекает в бак 15, из которого ее насосом 10 закачивают в сформированную трещину 6. Закачку жидкости насосом 10 осуществляют до полного извлечения пластичного вещества из сформированной трещины 6. Затем демонтируют промывочное оборудование. После этого в трещину 6 (фиг.3) подают раствор соли металла, который с использованием химической реакции замещения осаждают на закрепляющий материал и поверхности трещины 6 до образования сплошной электропроводящей прослойки 16 (далее - прослойка 16), от чего трещина 6 приобретает высокую электрическую проводимость. При этом используют в закрепляющем материале смеси 4 частицы с высокой электрической проводимостью из металла, входящего в состав соли подаваемого раствора. Трещину 6 электрически соединяют с приемопередающей системой 17 (далее - система 17) следующим образом. В прослойку 16 вводят электрод 18, подсоединенный к одному концу центральной жилы коаксиального кабеля 19 (далее - кабель 19). Второй конец кабеля 19 соединяют с системой 17.
В способе по второму варианту в массиве горных пород 1 (фиг.1) бурят скважину 2, нижнюю часть которой заполняют сыпучим материалом 3 (например, песком, гравием), а верхнюю часть - смесью 4 закрепляющего материала, содержащего частицы с высокой электрической проводимостью, и пластичного вещества. С помощью плунжера 5 смесь 4 вытесняют из скважины 2, от чего возникает и развивается трещина 6. На границе трещины 6 образуется свободная от смеси 4 зона 7 (далее зона 7). После создания трещины 6 заданных размеров с границей разрыва, не выходящей за забой скважины 2, в скважину 2 (фиг.2) подают трубу 8 (колонну труб) с герметизатором 9 на конце до упора в сыпучий материал 3. С помощью насоса 10 между трубой 8 и стенками скважины 2 нагнетают жидкость (не обозначена), которая поступает в зону 7 (между границами смеси 4 и трещины 6). Эта жидкость по зоне 7 поступает в нижнюю часть скважины 2 и вымывает из нее сыпучий материал 3, который через трубу 8 поступает в отстойник 11. Затем жидкость по указанным на фиг.2 стрелкам обтекает смесь 4 по внешней границе и вымывает из нее пластичное вещество. Жидкость с взвешенными в ней частицами пластичного вещества (суспензия) по трубе 8 поступает в отстойник 11. В отстойнике 11 нерастворимая в жидкости часть 12 пластичного вещества оседает на дно, а его растворимая часть 13 по трубе 14 перетекает в бак 15, из которого ее насосом 10 закачивают в сформированную трещину 6. Закачку жидкости насосом 10 осуществляют до полного извлечения пластичного вещества из сформированной трещины 6. Затем демонтируют промывочное оборудование. После этого в трещину 6 (фиг.3) подают раствор соли металла, который с использованием химической реакции замещения осаждают на закрепляющий материал и поверхности трещины 6 до образования сплошной электропроводящей прослойки 16 (далее - прослойка 16), от чего трещина 6 приобретает высокую электрическую проводимость. При этом используют в закрепляющем материале смеси 4 частицы с высокой электрической проводимостью из металла, входящего в состав соли подаваемого раствора. Трещину 6 электрически соединяют с системой 17 следующим образом. В прослойку 16 вводят электрод 18, подсоединенный к одному концу центральной жилы коаксиального кабеля 19 (далее - кабель 19). Второй конец кабеля 19 соединяют с системой 17. После этого бурят вторую скважину 20 (фиг.4), через которую формируют аналогичную трещине 6, первой, вторую трещину 21 таким образом, чтобы обе трещины находились в одной плоскости. Затем трещину 21 электрически соединяют с системой 17 посредством введенного в нее (или прослойку 16) электрода 18 и кабеля 19.
В способе по третьему варианту в массиве горных пород 1 (фиг.1) бурят скважину 2, нижнюю часть которой заполняют сыпучим материалом 3 (например, песком, гравием), а верхнюю часть - смесью 4 закрепляющего материала, содержащего частицы с высокой электрической проводимостью, и пластичного вещества. С помощью плунжера 5 смесь 4 вытесняют из скважины 2, от чего возникает и развивается трещина 6. На границе трещины 6 образуется свободная от смеси 4 зона 7 (далее зона 7). После создания трещины 6 заданных размеров с границей разрыва, не выходящей за забой скважины 2, в скважину 2 (фиг.2) подают трубу 8 (колонну труб) с герметизатором 9 на конце до упора в сыпучий материал 3. С помощью насоса 10 между трубой 8 и стенками скважины 2 нагнетают жидкость (не обозначена), которая поступает в зону 7 (между границами смеси 4 и трещины 6). Эта жидкость по зоне 7 поступает в нижнюю часть скважины 2 и вымывает из нее сыпучий материал 3, который через трубу 8 поступает в отстойник 11. Затем жидкость по указанным на фиг.2 стрелкам обтекает смесь 4 по внешней границе и вымывает из нее пластичное вещество. Жидкость с взвешенными в ней частицами пластичного вещества (суспензия) по трубе 8 поступает в отстойник 11. В отстойнике 11 нерастворимая в жидкости часть 12 пластичного вещества оседает на дно, а его растворимая часть 13 по трубе 14 перетекает в бак 15, из которого ее насосом 10 закачивают в сформированную трещину 6. Закачку жидкости насосом 10 осуществляют до полного извлечения пластичного вещества из сформированной трещины 6. Затем демонтируют промывочное оборудование. После этого в трещину 6 (фиг.3) подают раствор соли металла, который с использованием химической реакции замещения осаждают на закрепляющий материал и поверхности трещины 6 до образования сплошной электропроводящей прослойки 16 (далее - прослойка 16), от чего трещина 6 приобретает высокую электрическую проводимость. При этом используют в закрепляющем материале смеси 4 частицы с высокой электрической проводимостью из металла, входящего в состав соли подаваемого раствора. После этого скважину 2 углубляют (фиг.4) и создают аналогичную трещине 6, первой, вторую трещину 21 таким образом, чтобы обе трещины находились в одной плоскости и не имели между собой электрического контакта. Затем трещину 6 и трещину 21 (или находящиеся в них прослойки 16) электрически соединяют с системой 17 посредством введенных в них через скважину 2 электродов 18 и кабелей 19.
Отметим, что в примерах конкретной реализации приведены наиболее простые варианты, достаточные лишь для понимания сути предлагаемого способа. В действительности они могут быть измененными. Приведем несколько примеров. При наличии в скважине 2 (фиг.3) обсадной трубы 22 (далее - труба 22) ее можно использовать вместо экранирующей оплетки кабеля 19. В этом случае трубу 22 электрически соединяют с корпусом системы 17 проводом 23. При этом трещину 6 подключают к системе не кабелем 19, а обычным одножильным проводом (на фиг.3 не показано), что удешевляет реализацию способа. Для надежной изоляции электрически напрямую не связанных элементов (трещин 6 и 21, обсадной трубы 22) отдельные участки скважины 2 заполняют диэлектрическим материалом 24, например эпоксидной смолой. Подключение трещин 6 и 21, сформированных через одну скважину 2 (фиг.5), к системе 17 в отдельных случаях можно осуществлять одним коаксиальным кабелем (на фиг.5 не показано). Для этого его центральную жилу подсоединяют к трещине 21, а оплетку - к трещине 6.
Способ направлен на техническую реализацию идеи расширения области использования формируемых трещин, которым искусственно придают нужные свойства, в решениях различных задач горного производства. В настоящем техническом решении формируемые трещины наделяют свойством высокой электрической проводимости. Такое свойство трещин позволяет использовать их не только для передачи и приема радиосигналов, как это представлено в примерах конкретной реализации, но и при решении других задач. Например, их можно использовать для заземления высоких металлических конструкций (опор линий электропередач, мостов, башен), защиты от воздействия мощных электромагнитных источников в подземных условиях, создания подземных высокочастотных нагревателей при переводе некоторых ископаемых, например битумной нефти, серы, из твердой фазы в жидкую и т.д.
3
В качестве закрепляющего материала можно использовать, например, мраморную крошку. Соль металлов выбирают, исходя из требований к ее растворимости, например, в воде и экономической целесообразности решаемой задачи. Отметим, что высокая электрическая проводимость трещины, удовлетворяющая требования при решении практически любых задач, связанных с передачей и приемом электромагнитной энергии в породных массивах, достигается при использовании в качестве соли металла нитрата серебра (AgNO).