Файл: Медведев, И. И. Газовыделения на калийных рудниках.pdf

газоносностью. С целью прогнозирования необходимо отбирать пробы бурового штыба крупностью 3—5 мм. Для практического

.использования метода была разработана временная инструкция.

а

5

прибор оказался непригодным при механизированной добыче со­ лей. В 1972 г. был разработан новый прибор (рис. 49), с помощью которого в толще промышленных пластов и вмещающих пород Второго Березниковского рудника удалось выделить выбросоопас­ ные слои на пластах Красном I, А и В. Установлено, что данный метод может быть применен для точного определения местополо­ жения выбросоопасных зон.

Испытания этого прибора на Индерском руднике показали вы­ сокую надежность акустического метода. При проведении прогно­ за в течение 23 проходческих циклов было предсказано четыре выброса. Этот прогноз подтвердился.

Фрайбергский прогноз по давлению газа основам на повышен­ ном по сравнению с обычным газовыделением из шпуров и сква­ жин, пробуренных в выбросоопасных зонах массива. Известно, что выбросоопасная порода имеет относительно более высокую газоносность и, по-видимому, газопроницаемость.

Газовый лоток, выделяющийся из стенок скважины, пробурен­ ной в газоносной породе, создает напор. При герметизации сква­ жины манометр герметизатора фиксирует давление выходящего из скважины газа. В слабогазоносиых, невыбросоопасных породах

125

давление газа в шпуре или скважине ничтожно, в выбросоопасных зонах оно измеряется десятыми долями атмосферы и более.

Из трех рассмотренных методов инструментального прогнози­ рования наиболее экономичен прогноз по давлению газа, поэтому он чаще всего применяется.

Рис. 49. Прибор для прогноза выбросов акустическим методом, раз­ работанный в Пермском политехническом институте

Керновый прогноз применяется в основном при проведении эксплуатационной разведки, когда бурятся скважины с отбором керна (не специально с целью прогноза, а для других целей, на­ пример, для петрографических и химических исследований). По­ скольку прогноз по давлению газа может быть осуществлен только в свежепробуренной скважине (при времени существова­ ния ее не более 10—15 мин), то наиболее универсальным оказы­ вается акустический метод. Таким образом, каждый из трех мето­ дов имеет свою обширную область применения.

§4. Выбор мероприятий по предупреждению внезапных выбросов карналлита и газа

Выше были рассмотрены методы управления выбросами соли и газа, разработанные в ГДР для условий буровзрывной выемки. По-видимому, эти методы (планомерное провоцирование выбросов или ограничение их величины) в сочетании с прогнозированием применимы при разработке кариаллнтового пласта В Верхнекамс­ кого месторождения. Безусловно, их практическому использова-

126

и і і ю должен предшествовать шахтный эксперимент по отработке паспортов буровзрывных работ. Необходимы также передвижные буровые станки для бурения скважин большого диаметра.

Вместе с тем близость водоносных горизонтов к рабочим пла­ стам на многих участках месторождения требует изыскания мето­ да предупреждения выбросов карналлита и газа.

Выбросоопасные пласты различных горных пород, содержащие газ, имеют общие признаки. Главные из них — повышенная на­ пряженность, упругость и хрупкость пласта или его участка, по­ вышенная газоносность и связанная с нею пониженная механичес­ кая прочность. Поэтому мероприятия по предупреждению внезапного выброса обычно направлены на уменьшение напря­ женного состояния массива; уменьшение энергии газа, содержа­ щегося в пласте; изменение физико-механических свойств пласта в сторону уменьшения его упругости, хрупкости и прочности и уве­ личения пластичности. Есть и другие мероприятия, направленные на повышение устойчивости и торможение внезапных выбросов или на провоцирование их. Все мероприятия В. В. Ходот разделя­ ет на региональные и локальные [24].

Региональные мероприятия охватывают большие области пла­ ста или свиту пластов. Примером их является разработка защит­ ных пластов и предварительная дегазация пласта.

Локальные мероприятия применяются для отдельных забоев. К ним относятся специальные методы управления кровлей (полное обрушение), бурение опережающих скважин, создание опережаю­ щих щелей и врубов, возведение опережающей крепи и усиленное

междупластья, что приводит к снятию повышенных напряжений и частичной дегазации выбросоопасного пласта. Ввиду условий раз­ работки Верхнекамского калийного месторождения, не допускаю­ щих каких-либо сдвижений боковых пород с нарушением их сплошности, этот метод в данных условиях неприемлем. Такой вывод основывается на опыте разработки шахтных полей Соли­ камского и Первого Березниковского рудников, где карналлитовый пласт подрабатывается нижележащими сильвинитовыми пластами, однако происходит большое число выбросов карналлита

п газа.

Метод управления кровлей полным обрушением, применяю­ щийся для этой цели на выбросоопасных пластах, в данных усло­

виях также неприменим.

Дегазация выбросоопасного пласта, применяющаяся для сни-

127

жения содержания газа в пласте и, следовательно, для снижения газового давления в пласте, испытывалась неоднократно на Верхне­ камском месторождении и не дала каких-либо положительных результатов из-за неравномерности распределения выбросоопас­ ных участков и низкой газопроницаемости карналлитового пласта. Методы повышения устойчивости пласта и торможения внезапных выбросов с помощью усиленной крепи также не могут здесь при­ меняться ввиду большого сечения выработок и отсутствия крепи.

Сотрясательное взрывание увеличенными зарядами взрывча­ того вещества провоцирует внезапный выброс. Оно вызывает не­ которое рыхление прилегающего массива, его дегазацию, а также смещение вглубь массива зоны концентрации напряжений.

На Верхнекамских рудниках применяется в основном сотряса­ тельное взрывание. Положительная сторона его — безопасность последующей работы людей в забое в отношении «запоздалого» выброса. Отрицательные стороны его были изложены выше.

Все разновидности метода нагнетания жидкостей в пласт (увлажнение массива, гидроразрыв, внутримассивиый гпдрораз-

снижение активности газа, содержащегося в пласте. Достаточно хорошая регулируемость процесса нагнетания (необходимый ре­ жим и радиус воздействия) свидетельствует также в его пользу. Поэтому метод нагнетания жидкостей в пласт для борьбы с вне­ запными выбросами получает все большее распространение на угольных шахтах и сейчас применяется во всех угольных бассей­ нах страны, разрабатывающих выбросоопасные пласты.

Таким образом, из рассмотренных методов борьбы с вне­ запными выбросами нагнетание жидкости представляется наи­ более приемлемым. Этот метод был испытан авторами при участии сотрудников Пермского политехнического института

|В. Л. Водопьяноваj и Н. Ф. Красюка в 1967—1968 гг. на Соли­

камском руднике.

Кроме метода нагнетания, по-видимому, принципиально прием­ лемы еще два известных метода предупреждения выбросов. Это торпедирование пласта в глубине массива впереди забоя, имеющее целью создание в массиве сети искусственных трещин, которые в условиях карналлитового пласта не только способствовали бы уменьшению напряженности, но и повышению газопроницаемости и дегазации пласта. В последнее время показал положительные ре­ зультаты метод предупреждения выбросов породы частичной раз­ грузкой участка пласта впереди забоя от повышенных напряжений путем создания по контуру выработки, исключая подошву, разгру­ зочной щели. Этот метод также не вызывает принципиальных воз­ ражений против его опробования в условиях карналлитового пласта В.

128

ИСПЫТАНИЯ МЕТОДА НАГНЕТАНИЯ ЖИДКОСТИ В ПЛАСТ С ЦЕЛЬЮ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ВНЕЗАПНЫХ ВЫБРОСОВ

§1. Лабораторные исследования взаимодействия жидкостей

ссоляными горными породами

Метод нагнетания жидкости в пласт для условий калийных рудников исследовался впервые. Анализ сведений по применению этого метода на угольных шахтах показал сложность взаимо­ действия жидкости с горной породой в процессе нагнетания. В связи с этим еще не создано единого метода, позволяющего оце­ нить ослабление массива в результате нагнетания, а также рас­ считать параметры нагнетания для любых условий.

Эти же причины не позволили ответить на вопросы: возможно ли в принципе применение метода нагнетания на калийных пластах, каким приблизительно может быть результат воздействия жидкости на калийную горную породу, какую необходимо принять жидкость для нагнетания и т. д. Очевидной была постановка спе­ циальных экспериментов.

Сначала были проведены лабораторные исследования с целью выбора жидкости для нагнетания, проверки возможности раз­ рушения калийных пород в режиме трещинообразования и определения разрушающего давления, выяснения механизма взаимодействия жидкостей с породой (числа, направления, ско­ рости образования и размеров трещин, изменения прочности пород в результате нагнетания), оценки влияющих факторов (давления, вязкости, адсорбции и растворения). На втором этапе проводи­ лись шахтные исследования с целью проверки работоспособности метода для массива калийной горной породы и лабораторных дан­ ных (разрушающего давления, направления и скорости трещннообразования и т. д.). На заключительном этапе исследований предусматривались промышленные испытания метода с целью предупреждения внезапных выбросов карналлита и газа.

Методика лабораторных исследований по разрушению образ­ цов заключалась в следующем.

В образец, помещаемый в условия всестороннего сжатия, с одной стороны производится нагнетание жидкости до его разру­ шения трещинами и выхода жидкости с противоположной сто­ роны, сообщающейся с атмосферой. Если в течение определенного времени разрушение не произошло, нагнетание прекращается, а образец испытывается на сжатие. Если образец разрушился, приступают к изучению и описанию характера разрушения.

При выборе рабочей жидкости учитывали ее фильтрационные свойства, зависящие от смачивающей способности и вязкости, растворяющую способность, наличие воды в достаточном коли­ честве и стоимость в шахтных условиях. Наиболее распространен­ ные и дешевые жидкости — вода, а для калийных рудников — рассолы (насыщенные при данной температуре растворы калий­ ных солей в воде). Сравнительная характеристика интересующих нас свойств воды и рассолов: вязкость воды в большинстве слу­ чаев (за исключением однородных растворов КС1 в воде) меньше вязкости рассолов; вода легко растворяет, а следовательно и хорошо смачивает поверхность калийной соли, тогда как рассол не должен оказывать растворяющего воздействия, а также хуже смачивать соль.

Такая сравнительная характеристика свойств выбранных жидкостей недостаточна для того, чтобы отдать предпочтение одной из них, так как она не позволяет оценить количественное влияние этих свойств на ослабление прочности соли. Кроме того, существующая технология добычи калийных солей не допускает применения воды, в связи с чем на калийных рудниках нет водо­ проводов. Тем не менее для исследования были приняты вода, поскольку ее свойства предпочтительны, и рассолы, часто имею­ щиеся на калийных рудниках.

Вопросам моделирования образования трещин гидровзрыва посвящены работы многих авторов. Условия подобия при модели­ ровании Ю. П. Желтовым [11] выведены исходя из физических представлений о механизме гидравлического разрыва. Параметры подобия установлены из уравнений теории гидроразрыва.

Для того чтобы процессы трещинообразоваиия в модели и на­

где у — объемный вес пород; Н — глубина залегания; Q — расход жидкости; ц — вязкость жидкости; уН — величина горного

130