СПОСОБ СЕЙСМОВОЛНОВОГО РАЗУПРОЧНЕНИЯ УГОЛЬНЫХ МАССИВОВ И СКВАЖИННЫЙ СЕЙСМОВИБРАТОР
METHOD OF SEISMIC WAVE SOFTENING OF UNWORKED COALS AND WELL SEISMIC VIBRATOR

Изобретение относится к горному делу, в частности к угольной промышленности, и может быть использовано при подготовке угольных пластов к отработке для интенсификации процессов отбойки и выпуска угля при выемке угольных пластов крутого залегания способами подэтажного обрушения, предварительного разупрочнения мощных пологих пластов с труднообрушаемой подкровельной толщей, повышения газоотдачи неразгруженных угольных пластов и эффективности шахтной дегазации, а также безопасности горных работ в результате предотвращения внезапных выбросов угля и газа, горных ударов и других геодинамических проявлений.
Известен буровзрывной способ разупрочнения угольных пластов крутого падения, включающий проходку восстающих выработок и бурения из них по простиранию пласта глубоких горизонтальных и слабонаклонных скважин с последующим групповым их взрыванием (патент РФ №2138639, Е21С 41/18, 1999 г.). Основной недостаток данного способа в том, что для достижения существенного геомеханического эффекта разупрочнения массива перед взрыванием необходимо выполнение значительного объема скважинных выработок (не менее 10% от объема очистного блока). В связи с этим применение буровзрывных способов крайне ограничено из-за больших временных и трудовых затрат, а также по причине их небезопасности из-за возможности развязывания взрыва метаноугольной пыли в шахте.
Известны различные скважинные способы и устройства для невзрывного разупрочнения горных пород путем гидрорасчленения массива (патент РФ №2082886, E21F 5/00, 1997 г.) или создания в нем сети трещин направленного гидроразрыва (патент РФ №2253013, Е21С 37/06, 2005 г.), а также в результате динамических воздействий на угольный пласт: термодинамического (патент РФ №2046946, Е21С 41/00, 1995 г.); гидроимпульсного (патент РФ №2166637, E21F 7/00, 2001 г.); гидродинамического (патент РФ №2263775, Е21В 43/25, 2005 г.); гидрогазоимпульсного (патент РФ №2272909 E21F 7/00, 2005 г.).
Общие недостатки данных способов воздействия состоят в том, что они являются локальными и имеют ограниченный радиус распространения невзрывных воздействий в угольном массиве. При этом они технологически сложны, энерго- и трудоемки. Это делает их малопроизводительными, весьма затратными по времени и поэтому ограниченными в геотехнологическом применении. В частности, данные способы неприемлемы для предварительного разупрочнения при подэтажной выемке крутопадающих угольных пластов, так как относительно короткий период «живучести» очистных камер и блоков в системах с обрушением оказывается несовместимым с большими временными издержками на их разупрочняющую обработку, которые обусловлены необходимостью бурения в массиве плотной сетки глубоких шпуров или скважин с последующим выполнением в них многочисленных локальных воздействий.
В результате анализа установлено, что наиболее технологичными и производительными среди невзрывных являются способы вибросейсмического воздействия на массив, в результате которого распространяющиеся по массиву упругие колебания осуществляют его разупрочнение с минимальными временными и энергетическими затратами. Известны способы, в которых вибровоздействие на массив осуществляется путем установки в забое очистной или подготовительной выработки вибратора с приводом и передачи колебательных усилий на массив через предварительно закрепленные в нем анкерные конструкции (а.с. SU №994770, E21F 5/00, 1983 г.; патент SU №1421882, E21F 5/00,1988 г.).
Используя эти технические решения можно осуществлять вибровоздействие на относительно небольшие участки угольного массива, например, в целях разгрузки, дегазации и безопасного отжима призабойной зоны выбросо- и удароопасного пласта. Однако при крупномасштабном его разупрочнении, когда требуется передавать на массив большие (десятки тонн), высокочастотные (более 15 Гц) и продолжительные (несколько часов) вибрационные нагрузки, они имеют низкую работоспособность из-за вибрационной ненадежности анкерного сцепления с массивом.
Наиболее близким к предлагаемому способу является техническое решение, представляющее собой безанкерный способ передачи вибрационного воздействия на угольный массив, который осуществляется маломощными высокочастотными (свыше 50 Гц) пневмодебалансными вибраторами, размещаемыми непосредственно в предварительно пробуренных по пласту скважинах небольшого диаметра (менее 80 мм). При этом крепление вибраторов в скважинах малого сечения осуществляется не принудительным, а самопроизвольным (автономным) обжатием его корпуса угольным массивом, что достигается путем обрушения стенок скважины под воздействием круговых колебаний, генерируемых одновальным дебалансным вибровозбудителем (патент РФ №2068962, E21F 5/00,1966 г. - прототип).
Данный способ обеспечивает непосредственную передачу колебательных усилий на массив и поэтому при высокочастотных и продолжительных вибровоздействиях он более работоспособен, чем анкерные способы вибровоздействия. Основной недостаток этого способа заключается в низкой эффективности передачи вибрационного усилия из-за нежесткого и негарантированного контакта вибратора с массивом через рыхлую прослойку угольного штыба в скважине, в которой поглощается значительная доля сейсмической энергии вибратора. Этот недостаток наряду с большими временными издержками на установку и самозакрепление вибраторов в скважинах, а также со сложностью их обратного извлечения делает данный способ трудоемким и неэффективным при осуществлении интенсивных вибровоздействий для разупрочнения больших угольных массивов.
Одновременно известен скважинный вибратор для осуществления сейсмоволнового воздействия на массив, содержащий полый цилиндрический корпус с установленным в нем на подшипниках одновальным дебалансным вибровозбудителем с приводом и цанговый зажим для принудительного закрепления сейсмовибратора в скважине, выбранный за прототип (патент РФ №2107930, G01V 1/153, 1988 г.).
Благодаря наличию в данном устройстве цангового прижима обеспечивается жесткий контакт вибратора с массивом при его установке в скважине, а также возможность быстрого извлечения вибратора из массива. Однако недостаток заключается в том, что механизм цангового прижима не позволяет во время работы непрерывно удерживать гарантированный контакт вибратора с массивом, постоянно ослабляемый из-за необратимых деформаций стенок скважины и, как следствие, снижения начального прижимного усилия. Это приводит к нарушению стабильности работы сейсмовибратора в скважине и снижению эффективности разупрочнения массива.
Кроме этого недостаток известных технических решений состоит в том, что установленный непосредственно в корпусе сейсмовибратора одновальный дебалансный вибровозбудитель генерирует круговое (ненаправленное) осциллирующее воздействие па массив и создает в нем неполяризованное поле вибросейсмических колебаний, интенсивность которых в различных точках массива определяется суперпозицией сейсмических волн различных типов (продольных - Р, поперечных - SV и SH), которые отличаются скоростями пробега и имеют фазовременные сдвиги, что при интерференционном наложении может привести к их взаимному ослаблению и снижению интенсивности воздействия на массив.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности разупрочнения подготавливаемых к выемке угольных пластов крутого и пологого залегания за счет увеличения их природной трещиноватости в результате вибровоздействия на массив поляризованными сейсмоволновыми полями, формируемыми мощным скважинным сейсмовибратором, конструкция которого позволяет закреплять его в распор скважинной выработки и генерировать направленное осциллирующее воздействие на массив в крест напластованию.
Дополнительными результатами, которые обеспечиваются заявляемым изобретением, являются увеличение газоотдающей способности неразгруженных угольных пластов и повышение эффективности шахтной дегазации, а также производительности и безопасности очистных работ при подземной отработке крепких и метаноносных угольных массивов.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в способе сейсмоволнового разупрочнения угольных массивов, включающем бурение пластовой скважины, установку в ней дебалансного сейсмовибратора и проведение осциллирующего вибровоздействия на пласт, согласно предлагаемому техническому решению формирование повышенной трещиноватости в массиве производят поляризованным сейсмоволновым вибровоздействием. Для этого устанавливают и принудительно закрепляют в распор скважины по направлению в крест напластованию сейсмовибратор и с помощью его осуществляют направленное в крест напластованию вынуждающее воздействие на массив, распространяющееся по напластованию в виде сейсмической энергии поперечных S-волн сдвиговых деформаций, которые активизируют при совместном влиянии упругой энергии геостатического давления процессы хрупкого разрушения угольного массива и интенсивное образование в нем микротрещин скалывания и будинажной макротрещиноватости (трещин разрыва пласта). При этом непрерывно поддерживают постоянным усилие распора сейсмовибратора в скважине не менее максимальной амплитуды вынуждающей силы, развиваемой сейсмовибратором, и тем самым обеспечивают его надежный контакт с разупрочняемым массивом даже при его разрушающих деформациях. Это обеспечивает стабильность и эффективность передачи в угольный массив сейсмической энергии поперечных S-волн деформаций сдвига, а в боковые породы сейсмической энергии продольных Р-волн деформаций сжатия-растяжения, что способствует динамическому ослаблению контактного сцепления угольного пласта с кровлей и почвой и увеличению его кливажной трещиноватости (трещин напластования). В совокупности это обеспечивает эффективность предлагаемого способа.
Задача решается также тем, что в скважинном сейсмовибраторе, который включает полый цилиндрический корпус, размещенный в нем на подшипниках одновальный дебалансный вибровозбудитель с приводом и механизм прижима корпуса к стенкам скважины, согласно предлагаемому техническому решению корпус выполнен разъемным и состоящим из двух взаимно подвижных обечаек, подкрепленных продольным и поперечным набором ребер жесткости. Обечайки корпуса в поперечном направлении состыкованы по четырем направляющим типа «шток-втулка» и имеют возможность свободно перемещаться по ним. При этом подвижные направляющие обечаек попарно сгруппированы и симметрично установлены в двух поперечных сечениях, расположенных по краям корпуса, что обеспечивает его целостную жесткость. Раздвижная конструкция корпуса, позволяя изменять поперечные габариты сейсмовибратора, обеспечивает его свободную установку и надежное закрепление в распор пластовой скважине путем плотного прилегания полуцилиндрических обечаек к стенкам скважины.
Механизм разжима и прижима обечаек корпуса к стенкам скважины выполнен в виде двух распорных гидроцилиндров двустороннего действия с односторонними штоками. При этом гидроцилиндры шарнирно прикреплены к корпусным обечайкам в плоскостях размещения их парных направляющих с симметричным расположением между ними. Распорные гидроцилиндры в сочетании с раздвижной конструкцией корпуса позволяют непрерывно удерживать на заданном уровне усилие его прижима к стенкам скважины путем поддержания постоянным давления в гидроцилиндрах и тем самым обеспечить надежный контакт сейсмовибратора с массивом, даже в случае его разрушения в результате вибровоздействия.
Дебалансный вал вибровозбудителя с подшипниками смонтирован в отдельном закрытом корпусе, который закреплен на одной из обечаек в центральной части корпуса сейсмовибратора посредством шарнира, позволяющего корпусу вибровозбудителя совершать в плоскости вращения дебаланса возвратно-поворотные колебания, ограниченные упруго-демпфирующей подвеской. При этом подвеска маятникового корпуса вибровозбудителя (далее маятника) выполнена, как минимум, из двух пакетов тарельчатых пружин относительно малой жесткости, закрепленных на этой же обечайке в центральной плоскости поперечного сечения корпуса сейсмовибратора. Пакеты пружин симметрично установлены на обечайке под углом не более 45° к линии, проходящей через ось шарнира маятника и ось вращения дебаланса (далее ось маятника), при этом линии действия тарельчатых пружин проходят через ось вращения дебаланса. Шарнирно-маятниковая установка одновального дебалансного вибровозбудителя в корпусе сейсмовибратора позволяет создавать прямолинейно направленную гармоническую вынуждающую силу, которая действует вдоль оси маятника и через его шарнирное крепление к обечайке корпуса сейсмовибратора передается на угольный массив. При этом ортогональная (боковая) составляющая круговой вынуждающей силы вибровозбудителя компенсируется инерционными колебаниями маятника, которые гасятся силами трения, развивающимися на кромках тарельчатых пружин при упругих деформациях подвески маятникового корпуса вибровозбудителя. Установка податливых пакетов тарельчатых пружин под углом не более 45° к оси маятника позволяет снизить величину боковой составляющей вынуждающей силы вибровозбудителя и повысить устойчивость работы сейсмовибратора в скважине.
Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и поэтому данное решение является новым и имеет изобретательский уровень.
Сущность заявляемого технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами фиг.1-5.
На фиг.1, 2 показана схема поляризованного сейсмоволнового вибровоздействия при разупрочнении крутых угольных пластов, отрабатываемых столбами по восстанию с подэтажной выемкой (фиг.1 - вид по напластованию; фиг.2 - разрез в крест напластованию по оси скважины); на фиг.3 - продольный разрез скважинного сейсмовибратора в рабочем положении; на фиг.4 - поперечный разрез по А-А на фиг.3; на фиг.5 - поперечный разрез по Б-Б на фиг.3.
Способ сейсмоволнового разупрочнения угольных массивов реализуют с помощью скважинного сейсмовибратора следующим образом. После проведения и закрепления в отрабатываемом угольном пласте подготовительно-нарезных выработок (фиг.1) в середине по простиранию очистного столба 1 из подсечного (выемочного) штрека 2 на всю высоту этажа по пласту бурят вентиляционную скважину 3 с расширением до необходимого диаметра (650÷1200 мм). После выполнения в очистном столбе компенсационного пространства 4 из вентштрека 5 на тросу 6 тяговой лебедки 7 типа ЛПК-1 ОБ по стволу скважины 3 опускают сейсмовибратор 8, предварительно подсоединенный к питающей гидростанции 9 с помощью гибких рукавов (шлангов) высокого давления 10, гидравлически закрепляют его в ней на расстоянии 15÷20 м от свода обрушения компенсационного пространства 4 и удерживают в распор скважины по направлению в крест напластованию с постоянным усилием прижима не менее 30 тонн. Затем в течение 20÷30 минут осуществляют направленное вибровоздействие на массив с частотой 20÷25 Гц, амплитудой вынуждающей силы порядка 25÷30 тонн и поляризацией осциллирующих колебаний сейсмовибратора в крест напластованию (фиг.2). Под действием сейсмической энергии поперечных S-волн деформаций сдвига, распространяющихся по напластованию с плотностью потока не менее 10 Вт/м, и упругой энергии горного давления в неоднородных по прочности блочных структурах угольного массива происходят процессы микроразрушения с образованием макротрещин разрыва пласта. При этом под действием энергии продольных сейсмических Р-волн сжатия-растяжения, излучаемых в направлении висячего и лежачего боков угольного пласта, происходит нарушение его сцепления с углевмещающими породами, а также разрушение пласта по трещинам напластования. В совокупности эти эффекты приводят к полному разупрочнению угольного пласта в радиусе 10-15 м от сейсмовибратора. При высоте этажа отработки угольного пласта более 30 м сейсмовибратор поднимают по стволу скважины 3 (фиг.1) и цикл вибровоздействия повторяют. После предварительного разупрочнения угольного пласта отбойку угля производят в случае необходимости любым способом (механизированным или буровзрывным) с выпуском угля в конвейерный штрек 11.
На фиг.3 показан общий вид скважинного сейсмовибратора 8, который содержит полый цилиндрический раздвижной корпус, состоящий из двух обечаек 12 и 13, взаимно подвижных по четырем гладким направляющим 14 (фиг.4) под действием распорных гидроцилиндров 15 двустороннего действия, и установленный на обечайке 12 одновальный дебалансный вибровозбудитель 16 с приводом от гидромотора 17 (фиг.3). Вибровозбудитель 16 содержит дебалансный вал 18, установленный на подшипниках 19 в отдельном закрытом корпусе 20, смонтированном на обечайке 12 с помощью шарнира 21 и упругодемпфирующей подвески 22, выполненной в виде двух податливых пакетов тарельчатых пружин (фиг.5). Распорные гидроцилиндры 15 и приводной гидромотор 17 соединены с питающей маслостанцией 9 (фиг.1) посредствам гибких шлангов 10. В верхних частях обечаек 12 и 13 корпуса предусмотрены грузозахватные элементы 23 для подвешивания сейсмовибратора на тросу 6 тяговой лебедки 7.
Порядок работы скважинного сейсмовибратора заключается в следующем. Сейсмовибратор 8 в вентштреке 5 подключают к гидростанции 9 и переводят в свернутое положение (подается давление в штоковые полости гидроцилиндров 15 и обечайки 12, 13 корпуса притягиваются друг к другу). Затем сейсмовибратор 8 на тросу лебедки 7 опускают в угольный пласт (фиг.1), при этом он опирается и скользит вдоль скважины 3 наружной поверхностью обечайки 13 (фиг.3), и закрепляют его в массиве путем подачи и непрерывного удержания постоянным давления в поршневых полостях распорных гидроцилиндров 15 в течение всего последующего сеанса вибровоздействия. При подаче в гидромотор 17 рабочей жидкости под давлением дебалансный вал 18 раскручивается до оборотов, соответствующих рабочей частоте вибровоздействия, регулируемой положением дросселя на гидростанции 9, определяющим величину расхода жидкости в приводном гидромоторе вибровозбудителя. При вращении дебаланса вибровозбудитель 16 создает круговую вынуждающую силу, которая при возвратно-поворотных колебаниях его маятникового корпуса 20 преобразуется в прямолинейно направленную гармоническую силу, передающуюся через шарнир 21 и обечайки 12, 13 корпуса сейсмовибратора на массив в крест напластованию. При этом маятниковые колебания вибровозбудителя гасятся в его упругодемпфирующей подвеске 22. По окончании вибровоздействия отключается подача жидкости в гидромотор 17 и подается давление в поршневые полости распорных гидроцилиндров 15, которые притягивают обечайки 12 и 13 друг к другу, при этом сейсмовибратор 8 раскрепляется в скважине 3 и с помощью лебедки 7 перемещается по восстанию в следуюшую точку вибровоздействия, либо окончательно поднимается в вентштрек 5.
Способ поляризованного сейсмоволнового разупрочнения угольных массивов и скважинный сейсмовибратор прошли опытно-промышленные испытания на шахте «Киселевская» в Кузбассе и показали высокую технологическую эффективность. На прилагаемой фотографии показан общий вид экспериментального образца скважинного сейсмовибратора, который характеризуется следующими техническими параметрами:
- Максимальная амплитуда силы - 25 Тс.
- Частотный диапазон - 15-30 Гц.
- Эффективный радиус вибровоздействия - 10-15 м.
- Масса сейсмовибратора - 750 кг.
- Габариты: 780×740×1600 мм.
Источники информации
1. Патент РФ №2138639, Е21С 41/18, 1999 г.
2. Патент РФ №2082886, E21F 5/00, 1997 г.
3. А.с. SU №994770, E21F 5/00, 1983 г.
4. Патент SU №1421882, E21F 5/00, 1988 г.
5. Патент РФ №2068962, E21F 5/00, 1966 г.
6. Патент РФ №2107930, G01V 1/153, 1988 г. - прототип.