СИСТЕМА ДЕГАЗАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД

Полезная модель относится к горной промышленности и может быть использована для интенсификации процесса дегазации горных пород, в том числе угольных пластов.
Как правило, для дегазации горных пород, в том числе угольных пластов до начала их разработки, используют вакуумные насосы для откачивания и вывода на поверхность из подземных выработок природного газа, как правило, метана. Системы дегазации состоят из дегазационных горных выработок или буровых скважин, шахтных газопроводов с защитными устройствами, дегазационных установок, регулирующих, регистрирующих и защитных устройств, а также устройств, обеспечивающих движение газа в дегазационной системе (вакуумных насосов или ротационных воздуходувок с неискрящими лопатками).
Известна система дегазации уже отработанных горных пространств, осуществляемая через существующие скважины с поверхности. Такие системы дегазации включают скважины (вертикальные, горизонтальные и наклонные), соединенные посредством дегазационных трубопроводов с вакуум-насосными станциями, которые находятся на поверхности. Данные системы способствуют частичной разгрузке пластов от горного давления, вызывая переход сорбированного этими пластами газа в свободное состояние. Перешедший в свободное состояние метан удаляется из выработанных пространств через скважины вакуумными насосами (Беспфлюг В.А.Киотский протокол и шахтный газ // Уголь, 2005, №4, С.26-27).
Для повышения газоотдачи угольных пластов скважины дополнительно оборудуются устройствами, вызывающими более интенсивную десорбцию газа из угля, например, излучателями электромагнитного типа в виде генератора СВЧ и объемного резонатора, соединенного с волноводом, который излучает электромагнитные волны с частотой, равной собственной частоте колебаний молекул метана (а.с. СССР №983282, МПК E21F 7/00), или погруженных в скважину пневматических и пневмогидравлических источников механических колебаний, воздействующих на пласт с частотой собственных колебаний пласта (п.РФ №2131517, МПК E21F 5/00), или электромагнитного виброволнового генератора (п.РФ №2372487, МПК E21F 7/00).
Однако все вышеперечисленные системы интенсификации газоотдачи основаны на использовании устройств, установленных в скважинах или в горных выработках. Для их эффективной работы необходима проходка скважин через угольные пласты или в непосредственной близости от них, а иногда и заполнение скважин водой или гидрофобизирующей жидкостью, что приводит к высокой стоимости таких работ и загрязнению окружающей среды.
Наиболее близкой к заявляемой является система дегазации горных выработок, включающая устройства, создающие механические колебания с регулируемой частотой, например, виброакустические генераторы, установленные перпендикулярно напластованию на распорных стойках в шахтных выработках. Система включает также дегазационные скважины и трубопроводы для удаления газа, снабженные устройствами, обеспечивающими движение газа в трубопроводах (а.с. СССР №1553719, Е21F 5/00).
Работа вышеназванной системы основана на воздействии на угольный пласт импульсными колебаниями, частота которых устанавливается предварительно и равна или кратна частоте собственных колебаний слоев пород кровли или почвы угольного пласта.
Однако данная система может быть использована только в доступных выработках, то есть практически только на действующих шахтах.
Задачей полезной модели является расширение области использования дегазационной системы, повышение мобильности и эффективности систем дегазации горных массивов как на выведенных из эксплуатации (закрытых), так и на действующих шахтах и на разведочных участках проектируемых шахт.
Поставленная задача решается системой дегазации, включающей виброакустические генераторы, скважины и соединенные с ними трубопроводы для удаления газа, снабженные устройствами, обеспечивающими движение газа в трубопроводах, при этом система дополнительно снабжена не менее чем тремя приемниками акустических колебаний, расположенными в скважинах, и блоком управления, включающие ЭВМ и коммутатор каналов, содержит как минимум виброакустических генератора, установленных на поверхности земли симметрично относительно опорной скважины, выбранной из условия ее прохождения через максимальное количество дегазируемых пластов, а блок управления соединен с приемниками акустических колебаний и виброакустическими генераторами.
Предложенная схема дегазационной системы позволяет использовать ее на нетронутых горных массивах, содержащих газонасыщенные пласты, на работающих шахтах, и на шахтах уже выведенных из эксплуатации, повысить эффективность работы и мобильность систем дегазации.
Работа заявляемой дегазационной системы основана на принципе создания виброакустическими генераторами максимального воздействия на ту область горного массива, которая подвергается дегазации. Осуществляется это за счет создания на глубине залегания дегазируемого пласта как минимум двух одинаковых по фазе колебаний, результирующая амплитуда которых равняется их сумме, что контролируется приемниками акустических колебаний через блок управления, который с помощью программы задает режим работы виброакустических генераторов.
1
1
На фиг. представлена блок-схема заявляемой системы, где 1 - скважины без акустических приемников; 2, 2 - скважины с приемниками акустических колебаний, при этом 2- опорная скважина; 3 - окружность вокруг опорной скважины; 4- кабели, соединяющие акустические приемники с блоком управления; 5 - кабели управления виброакустическими генераторами; 6 -символическая картина волновых фронтов виброакустических генераторов; 8 - блок управления; 9 - трубопроводы; 10 - устройство, обеспечивающее движение газа в трубопроводах 9; 11 - установка для переработки газовой смеси; 12 - область интенсификации газовыделения.
В качестве скважин для установки приемников акустических колебаний могут быть использованы дегазационные и/или вентиляционные и/или разведочные скважины.
В качестве приемников акустических колебаний возможно использовать, например, гидрофоны, поскольку скважины могут оказаться заводненными. В случае сухих скважин гидрофоны прижимают к стенке скважины любым приемлемым способом, например, при помощи электромагнита. Количество акустических приемников - не менее трех - определяется необходимостью определения положения области интерференционного максимума суммарного воздействия в пространстве горного массива.
В качестве виброакустических генераторов, используются генераторы, способные работать в режиме импульсной последовательности с регулируемой частотой в интервале от 5 Гц до приблизительно 150 Гц, например, сейсмоакустические генераторы, обеспечивающие наиболее эффективное воздействие продольных волн в горных породах. Частотный диапазон виброакустических генераторов ограничен интервалом глубин воздействия от 50 м до 800 м, в котором стимуляция газовыделения может быть эффективна. Это объясняется тем, что на глубинах меньших 50 м происходит естественное выветривание метана из угольных пластов, а на глубинах, больших 800 м стимулируещее воздействие пренебрежимо мало по сравнению с пластовым давлением.
Оборудование системы дегазации блоком управления на базе ЭВМ позволяет легко перестаивать заявляемую систему в зависимости от условий залегания дегазируемых пластов.
Система дегазации может содержать устройство переработки откачиваемого газа, соединенного с выходом установки, обеспечивающей движение газа в трубопроводах, например, в виде устройства для получения жидкого газа.
1
1
Система работает следующим образом. Исходя из геологических карт месторождения, плана шахтных выработок и схемы расположения дегазационных, вентиляционных и других скважин, выбирают ряд скважин 1, 2, 2, расположенных наиболее близко к дегазируемому пласту или охватывающих максимальное количество пластов, которые разрабатывались или разрабатываются на данной шахте. В скважины 2 и 2 опускают акустические приемники и соединяют с компьютером, входящим в состав блока управления 8. Скважины оборудуют трубопроводами 9, соединенными с устройством 10, обеспечивающим движение газа в трубопроводах 9. Выход устройства 10 может быть соединен с установкой 11 для переработки откачиваемой газовой смеси.
1
1
Выбирают опорную скважину 2, проходящую через максимальное количество дегазируемых пластов, и по окружности 3 с центром в этой скважине 2 и симметрично относительно нее располагают как минимум два виброакустических генератора 7. Количество генераторов определяется требуемой мощностью воздействия на дегазируемый пласт. Вход синхронизации каждого генератора с помощью кабеля 5 соединяется с коммутатором каналов, входящим в состав блока управления 8.
Симметричное расположение вокруг опорной скважины генераторов определяется возможностью использования известной теории эквидистантных антенных решеток на этапе настройки системы.
Для повышения надежности функционировав системы радиус окружности, выбирают равным нескольким длинам продольных волн, создаваемых в почве генераторами, предварительно настроенными на одну частоту, при этом расстояние между генераторами также выбирают не менее двух длин волн.
Виброакустические генераторы 7 сначала включают в режим настройки (на пониженную мощность) и с помощью задержки импульсов одного генератора относительно другого выбирают такой режим синхронизации импульсных последовательностей генераторов, при котором сигнал суммарного воздействия всех генераторов, регистрируемый акустическими приемниками, максимален и превышает сигналы от каждого излучателя в отдельности. Разделение суммарного сигнала излучателей от их индивидуальных сигналов в акустических приемниках осуществляется по времени задержки: суммарный сигнал имеет наибольшую задержку, поскольку всегда распространяется по ломаной линии. После завершения настройки виброакустические генераторы включают на полную мощность и результат их работы может быть оценен по увеличению концентрации газа в откачиваемой из скважин газовой смеси.
После некоторого времени воздействия на первоначально выбранную дегазируемую область 12 горного массива, область воздействия может быть изменена простой перестройкой параметров программы блока управления, а именно изменением времен относительных задержек импульсных последовательностей виброакустических генераторов. Приблизительный алгоритм перестройки совпадает с алгоритмом настройки эквидистантной круговой акустической антенной решетки, имея в ввиду, что в данной дегазационной системе роль элементарных излучателей выполняют виброакустические генераторы 7, а главный луч этой антенной решетки направлен под поверхность земли. Более точная перестройка воздействия на новую область пространства, учитывающая реальную неоднородность горного массива, осуществляется ручной подстройкой задержек импульсов нескольких генераторов.
Таким образом, заявляемая система проста в управлении, мобильна, эффективна и может быть использована как на работающих шахтах, так и на шахтах, уже выведенных из эксплуатации, а также на нетронутых горных массивах.