Способ управления кровлей
ROOF CONTROL METHOD

Техническое решение относится к горной промышленности, а именно к подземной разработке месторождений, и может быть использовано для устранения зависания кровли у границ выемочного участка.
Известен способ управления труднообрушаемой кровлей по авт.св. СССР №825962, кл. Е21С 41/04, опубл. 30. 04. 1981 г., бюл. №16. Он включает бурение скважин в породы труднообрушаемой кровли, герметизацию скважин и нагнетание в скважины жидкости до гидроразрыва пород. В породах труднообрушаемой кровли изнутри каждой скважины прорезают щели, герметизируют каждую щель и производят нагнетание жидкости. Нагнетание жидкости производят последовательно, начиная от щели со стороны устья скважины к щели со стороны забоя скважины, осуществляя послойный гидроразрыв.
Общим у аналога с предлагаемым способом является бурение скважин в породы кровли, герметизация скважин и нагнетание в скважины жидкости до гидроразрыва пород.
В этом способе кровлю расслаивают множеством трещин, формируемых гидравлическим разрывом горной породы в плоскостях, ориентации которых задают предварительным созданием инициирующих щелей. Для формирования каждой трещины требуется выполнение операций по созданию отдельной инициирующей щели, ее герметизации, подвода к ней нагнетательной системы и подачи жидкости. Все это обуславливает относительно высокую трудоемкость реализации и, как следствие, низкую эффективность способа.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ управления кровлей при разработке угольных пластов по патенту РФ №1216345, кл. Е21С 41/04, опубл. 07.03.1986 г., бюл. №9. Он включает бурение скважин в зону концентрации растягивающих напряжений, расположенную над опорой у границы выемочного столба, создание зародышевых щелей, герметизацию скважин и нагнетание в них жидкости в режиме гидроразрыва. Зародышевую щель создают в плоскости, проходящей через режущую кромку опоры с наклоном 50-80° к наслоению пород кровли, причем высоту Z от обнажения пород кровли до точки заложения зародышевой щели определяют из выражения
T
где h - нормальная мощность непосредственной трещиноватой кровли, м;
m - вынимаемая мощность пласта, м;
p
K - коэффициент рыхления породы.
Общим у прототипа с предлагаемым способом является бурение скважин в породы кровли, герметизация скважин и нагнетание в них жидкости в режиме гидравлического разрыва.
Непременным условием успешной реализации этого способа является получение отсечных трещин, ориентация которых задается зародышевой щелью, развиваемой нагнетанием в нее жидкости под давлением в режиме гидравлического разрыва. Вместе с этим, согласно результатам многочисленных исследований, жидкость в породном массиве движется по пути наименьшего сопротивления, образуя извилистые каналы, выходит на плоскости ослабления (плоскости с относительно слабым сцеплением слоев горных пород) и затем движется по ним в режиме гидравлического расчленения. Это обуславливает сравнительно низкую вероятность образования сплошных отсечных трещин значительных размеров в плоскости, задаваемой без учета структуры породного массива. Кроме этого, в способе не предусмотрено создание поля растягивающих напряжений с заданной ориентацией путем бурения в одной плоскости множества скважин с последующим распором их стенок, а также использования скважин в качестве направляющих фронта гидравлического разрыва горных пород. В результате вероятность обрушения кровли в выработанное пространство оказывается относительно небольшой. Все это обуславливает относительно низкую эффективность способа.
Решаемая проблема заключается в повышении эффективности способа за счет создания в требуемой плоскости поля растягивающих напряжений путем бурения в ней сближающихся скважин, стенки которых распирают давлением нагнетаемой жидкости.
Проблема решается тем, что в способе управления кровлей, включающем бурение скважин в породы кровли выработки, их герметизацию и нагнетание в них жидкости в режиме гидравлического разрыва, согласно техническому решению скважины бурят в одной плоскости в направлении их сближения до пересечения, скважины герметизируют и распирапют нагнетаемой жидкостью до возникновения в плоскости бурения скважин поля растягивающих напряжений, затем увеличивают давление до разрыва горной породы с возникновением увеличивающейся трещины до выхода ее на поверхность выработки, из которой пробурены скважины.
Такое техническое решение реализует идею создания в породном массиве искусственного поля растягивающих напряжений, обеспечивающих принудительное отделение кровли от породного массива в заданной плоскости. Достигается это суммированием усилий распора стенок всех скважин и давления жидкости на поверхности трещин, возникающих и растущих в результате разрыва породного массива, а также ослаблением прочности сцепления горной породы скважинами и упомянутыми трещинами в указанной плоскости. Бурение скважин в одной плоскости разрыва породного массива обеспечивает после распора их стенок поле растягивающих напряжений в указанной плоскости и, следовательно, задает ориентацию возникающих трещин. Бурение скважин в направлении их сближения до пересечения обеспечивают место начала разрыва породного массива. Согласно результатам исследований гидравлический разрыв горной породы начинается из зоны наименьшего расстояния между скважинами (из зоны наибольшего их взаимного влияния). Отметим, что скважины предполагают бурить под различными углами и с возможностью их взаимного пересечения. Распор стенок скважин нагнетаемой жидкостью обеспечивает совмещение операций воздействия на породный массив через стенки скважин и его гидравлического разрыва в заданной плоскости (в плоскости нахождения скважин). Увеличение давления до разрыва приводит к образованию трещины. В результате повышается эффективности способа за счет создания в требуемой плоскости поля растягивающих напряжений путем бурения в ней сближающихся скважин, стенки которых распирают давлением нагнетаемой жидкости.
Целесообразно нагнетание жидкости осуществлять через эластичные рукава, прижатые ее давлением к стенкам скважин. Это исключает попадание жидкости в случайные естественные трещины в стенках скважины с последующим их развитием в произвольных плоскостях, что увеличивает надежность управления обрушением кровли и, следовательно, повышает эффективность способа.
Сущность технического решения поясняется примером конкретной реализации способа управления кровлей и чертежом, на котором показана простейшая схема реализации способа в разрезе по заданной плоскости разрыва породного массива.
В породы кровли выработки в одной плоскости 1 (см. чертеж) бурят скважины 2 в направлении их сближения до пересечения. Затем скважины 2 герметизируют и распирают их стенки нагнетаемой жидкостью, от чего в плоскости пробуренных скважин 2 возникает поле растягивающих напряжений, которые концентрируются в зонах наибольшего сближения скважин 2. После этого давление нагнетаемой жидкости увеличивают до разрыва горной породы. В результате в зоне концентрации напряжений (в зоне наибольшего сближения скважин 2) возникает начальная трещина 3 (далее - трещина 3), которая под действием давления нагнетаемой жидкости увеличивается в размерах. Можно нагнетаемую жидкость в зону начала разрыва горной породы подавать через эластичные рукава 4 (далее - рукава 4), прижатые ее давлением к стенкам скважин 2. Граница 5 трещины 3 перемещается между скважинами 2 вплоть до выхода на свободную поверхность, например, поверхность выработки 6, из которой бурили скважины 2. При выходе границы 5 трещины 3 на свободную поверхность дальнейший рост трещины 3 прекращается из-за падения давления в нагнетаемой жидкости. Для нагнетания жидкости в скважины 2 можно использовать магистральную трубу 7 с отводами в виде труб 8, вставленных в рукава 4. При этом рукава 4 можно закрепить на трубах 8, например, обжимными кольцами 9, от чего при нагнетании в них жидкости происходит герметизация скважин 2. Для создания требуемого усилия распора стенок скважин 2 в свободные от труб. 8 концы рукавов 4 можно вставить трубки 10 с клапанами 11, настраиваемыми на заданное давление. При этом концы рукавов 4 можно закрепить на трубках 10 обжимными кольцами 12. Реализующие представленную на чертеже схему операции можно повторять многократно вплоть до обрушения кровли в выработанное пространство.
Способ предполагают использовать в основном для повышения эффективность отработки пологих угольных пластов механизированными комплексами с обрушением кровли в выработанное пространство. Воздействие на кровлю осуществляют в местах превышения допустимой нагрузки на механизированную крепь.