Авант-ПАРТНЕР РЕЙТИНГ № 4 от 20.12.2022

Проект: «Методы гидроразрыва труднообрушающейся кровли и угольного пласта для исключения динамических явлений в угольных шахтах»

Руководитель проекта: Клишин Владимир Иванович, директор Института угля ФИЦ УУХ СО РАН, д.т.н., чл.-корр. РАН

Подземная разработка угольных пластов механизированными комплексами сдерживается наличием прочной труднобрушающейся основной кровли и метаноносностью угольных пластов. Неожиданные неуправляемые динамические обрушения горного массива опасны для людей, разрушают механизмы и горные выработки. Кроме этого, зависания кровли вызывает концентрацию горного давления на угольный массив в зоне очистного забоя и на сопряжениях его с горными выработками, что провоцирует внезапный выброс угля и газа. Это приводит к разрушению горных выработок и соответственно к нарушению нормального режима работы добычного транспорта и проветривания забоев, а также к человеческим жертвам. Эффективных методов решения проблем, вызванных наличием таких кровель и большого содержания метана в угольных пластах, а также разработанных методов управления горным давлением и извлечения метана до ведения очистных и подготовительных работ нет ни в России, ни за рубежом, хотя, динамические явления, обусловленные ростом напряжённого состояния по мере освоения более глубоких горизонтов известны во всем мире.

Рис. 1. Механизм обрушения кровли при её первичной посадки из монтажной камеры

Для предотвращения динамических явлений в шахтах предложены уникальные безвзрывные технологии для управления такими кровлями, их своевременного искусственного обрушения, принудительной посадке: метод направленного гидроразрыва (НГР) кровли и метод поинтервального гидроразрыва (ПГР) угольного пласта.

Сущность НГР заключается в создании в массиве предварительно созданной щели как концентратора напряжений. Далее в эту щель нагнетается жидкость, и происходит направленный разрыв и появление протяженной трещины. В таком случае монолитный массив превращается в слоистый с нужным количеством слоев и блоков для их управления. Разработаны технологические схемы по применению направленного гидроразрыва для разупрочнения кровли в монтажной (Рис. 1) и демонтажной камерах, для сохранения повторно используемых выработок и снижения нагрузок на угольные целики, а также для ликвидации пучения почвы горных выработок.

Для технического решения задачи дегазации на стадии подготовительных работ предложен метод ПГР, который повышает газоотдающую способность неразгруженных угольных пластов. Это происходит за счёт увеличения площади создаваемых в массиве трещин. В этом случае разрывное устройство (двусторонний пакер) представляет собой два упруго расширяющихся рукава, между которыми установлен межпакерный клапан, предназначенный для регулирования давления рабочей жидкости в гидросистеме разрывного устройства. Он служит для своевременного пакерования скважины в зоне между упруго расширяющимися рукавами и дальнейшего повышения давления в этой зоне до величины, достаточной для гидроразрыва. Перемещая пакер вдоль скважины, можно производить гидроразрывы водой или водными растворами в заданных участках угольного пласта (Рис. 2).

В рамках проекта разрабатываются методы прогнозирования и управления геомеханическим состоянием горного массива в период формирования и проявления динамических явлений для его профилактической гидрообработки, необходимые для выбора и обоснования рациональных мероприятий и корректировки планов развития горных работ.

В качестве решения предложен комплексный подход, основанный на совместном использовании сейсмоакустического профилирования с элементами сейсмической томографии и численного моделирования. Для этого разрабатываются методы и средства в виде комплекта шахтной многоканальной геофизической аппаратуры с несколькими пунктами приема сейсмических сигналов, оснащенной автономными регистраторами, геофонами и механическим ударным источником упругих колебаний.

Рис. 2. Поинтервальный гидроразрыв обеспечивает увеличение трещиноватости и газопроницаемости угольного пласта, а дальнейшее использование непосредственно энергии горного давления сохраняет их раскрытое состояние

СПЕЦПРОЕКТ: КНТП «Чистый уголь – зелёный Кузбасс»