способ повышения устойчивости пород кровли

Формула изобретения

1. Способ повышения устойчивости пород кровли, включающий бурение скважин в массив горных пород и нагнетание через скважины скрепляющих горные породы растворов, отличающийся тем, что при разработке подземной газификацией угля в непосредственной или основной кровле или почве угольного пласта сооружают опорные конструкции в виде жесткой сетки, состоящей из подвесных железобетонных опор-балок и упрочненных полос, которые располагают в продольном и поперечном направлениях, а затем в процессе разработки в пустоты выработанного пространства, образовавшиеся в результате зависания кровли на искусственных опорах-балках, вводят закладочную смесь.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подвесные продольные железобетонные опоры-балки сооружают в устойчивой непосредственной кровле путем бурения наклонно-горизонтальных скважин, имеющих два выхода на поверхность, в которых монтируют длинномерный гибкий трубопровод с радиальными отверстиями и со вставленным в его внутреннюю полость стальным канатом, межтрубное кольцевое пространство которых заполняют бетонной смесью, причем трубопровод и канат двумя концами закрепляют на поверхности у обоих устьев наклонно-горизонтальной скважины, а поперечные упрочненные полосы создают путем инъектирования растворов в породный массив через вертикальные скважины с возможностью, при этом опоры породных полос в процессе газификации над выработанным пространством на продольные железобетонные опоры-балки, а концами на нетронутые угольные целики на границах разрабатываемого участка, затем - на закладочный массив вместе с опорами-балками.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при наличии над разрабатываемым участком неустойчивой непосредственной кровли продольные и поперечные подвесные железобетонные опоры-балки сооружают в устойчивой основной кровле путем бурения поддерживающих наклонно-горизонтальных скважин, аналогичных по конструкции продольным, причем горизонтальную часть поперечных скважин для железобетонных опор-балок располагают ниже уровня продольных опор-балок.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в длинномерном гибком трубопроводе выполняют радиальные отверстия в шахматном порядке на некотором удалении друг от друга и при нагнетании бетонной смеси в межтрубное кольцевое пространство удаляют из него воздушные пробки, затем заполняют кольцевое пространство между стальным канатом и внутренней стенкой длинномерного гибкого трубопровода расширяющимся цементным раствором, который, проникая в радиальные отверстия, сцепляется с бетонным раствором межтрубного кольцевого пространства и создает монолитную железобетонную конструкцию подвесной опоры-балки.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при наличии в породах кровли надугольного водоносного горизонта и водоупорной непосредственной кровли, например, из глины или глинистых или песчано-глинистых сланцев, жесткую систему из опорных конструкций в виде продольных подвесных железобетонных опор-балок и поперечных упрочненных полос сооружают в сочетании с одновременной с процессом газификации закладкой выработанного пространства и на этой основе предотвращают прорывы подземных вод в зону геотехнологической разработки и ее загрязнение фенолами.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при наличии в породах почвы подугольного напорного водоносного горизонта и водоупорной почвы пласта, например, из глины, глинистых и песчано-глинистых сланцев сооружают в породах почвы жесткую систему из опорных конструкций, состоящую из продольных и поперечных подвесных железобетонных опор-балок в сочетании с закладкой выработанного пространства и предотвращают прорывы воды из этого горизонта в зону геотехнологической разработки и ее загрязнение фенолами.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что при наличии в вышележащей толщине мощных породомостов сочетанием продольных подвесных железобетонных опор-балок и поперечных упрочненных полос или поперечных подвесных железобетонных опор-балок и породомостов создают единую жесткую конструкцию, которая препятствует деформациям и сдвижению пород кровли над выработанным пространством, что позволяет производить закладку этого пространства с отставанием во времени и пространстве, и этим снижают вынос закладочного материала на поверхность через газоотводящие скважины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при разработке месторождений полезных ископаемых геотехнологическими способами.

Известен способ повышения устойчивости пород кровли, включающий возведение закладочного массива из твердеющей закладки в выработках горнорудного производства, которая обеспечивает предотвращение сдвижения земной поверхности (аналог) (Широков А.П. Горбунов В.Ф. Повышение устойчивости горных выработок. Новосибирск: Наука. 1983. 168 с.).

Недостатком этого способа является трудность применения его при геотехнологической разработке полезных ископаемых, и в том числе при подземной газификации углей.

Наиболее близким техническим решением является способ упрочнения горных пород способом инъектирования, включающий нагнетание химических растворов в пористые породы, в результате чего повышаются механическая прочность и водопроницаемость массива. В качестве наиболее эффективных методов применяют силикатизацию, смолизацию и цементацию горных пород (прототип). (Ю.З.Заславский, Е.А.Лопухин, Е.Б.Дружко, И.В.Качан. Инъекционное упрочнение горных пород. М. Недра. 1984. 196 с.).

Основными недостатками известного способа являются низкая надежность инъекционного упрочнения горных пород при термических методах добычи полезных ископаемых, что может привести к обрушению кровли, разгерметизации подземного газогенератора, утечкам газа на поверхность через образовавшиеся трещины.

Целью изобретения являются повышение эффективности процесса подземной газификации угля и снижение негативных воздействий на окружающую среду.

Поставленная цель достигается тем, что в кровле угольного пласта слой породы упрочняют наклонно-горизонтальными продольными железобетонными конструкциями (опорами-балками), которые своими краевыми частями опираются на нетронутый породный массив в процессе газификации пласта.

Одновременно для увеличения прочности надугольной толщи в ней создают поперечные упрочненные полосы, ориентированные параллельно линии огневого забоя, концы которых опираются на края нетронутого угольного массива.

В процессе подземной газификации в образовавшиеся полости выработанного пространства подают закладочную смесь, обеспечивая при этом подпор зависшей на искусственных опорах-балках кровли. Применение таких жестких опорных элементов в сочетании с закладкой выработанного пространства значительно снижает деформации пород кровли и ликвидирует просадки, провалы и трещинообразование на поверхности земли.

Сравнение заявляемого решения с известными способами показывает, что предлагаемое решение базируется на принципиально новой основе, обеспечивающей предотвращение деформаций поверхности и снижения сближений боковых пород не только за счет возведения закладочного массива в выработанном пространстве, но и за счет создания в кровле угольного пласта жестких железобетонных конструкций в виде балок с приданием им дополнительной реакции путем закрепления металлических частей на поверхности. Последние представляют собой гибкий длинномерный стальной трубопровод с радиальными отверстиями, при этом во внутреннюю полость этого трубопровода дополнительно вводят стальной канат. Трубопровод с отверстиями обеспечивает отвод воздуха (ликвидирует воздушные пробки) при заполнении скважины бетонной смесью. Стальной канат служит для создания в железобетонной балке значительных растягивающих напряжений и придания конструкции большой прочности.

Создание упрочненных поперечных полос путем силикатизации в вышележащей толще пород связывает породо-мосты в единую жесткую конструкцию и на этой основе ликвидирует деформации поверхности в зоне газифицируемого участка угольного пласта.

Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию "новизна".

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что процессы газификации угольного пласта и закладки выработанного пространства не совмещают во времени и пространстве, а последнюю производят периодически после отхода огневого забоя на некоторое расстояние. Последнее повышает эффективность процесса ПГУ за счет того, что закладочный материал не попадает в зону газификации и не будет выноситься вместе с газом на поверхность.

Использование жестких поперечных и продольных подвесных опор-балок, создание единой жесткой конструкции из упрочненных продольных балок и поперечных полос (балок), и породо-мостов, циклической закладки выработанного пространства, которые предотвращают деформацию вышележащей толщи пород, являются основными признаками, отличающими заявляемое изобретение от прототипа и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена схема первого варианта расположения опорных конструкций; на фиг.2 вертикальный разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - поперечный разрез подвесной упрочненной железобетонной опоры-балки (разрез В-В на фиг. 2); на фиг.4 второй вариант расположения опорных конструкций. На схемах обозначены: граница газифицируемого участка 1; нагнетательная ориентированная скважина 2; гибкий длинномерный трубопровод 3, жаростойкая насадка 4; газоотводящая ориентированнная скважина 5; огневой забой 6; наклонно-горизонтальная продольная поддерживающая скважина 7; длинномерный гибкий стальной трубопровод 8; расширяющийся цементный раствор 9; стальной канат 10; опора 11; вертикальные инъекционные скважины 12; поперечные упрочненные подвесные полосы 13; породо-мост 14; радиальные отверстия 15; межтрубное кольцевое пространство с бетонным раствором 16; наклонно-горизонтальная поперечная поддерживающая скважина 17.

Способ реализуется следующим образом.

До начала разработки газифицируемого участка в непосредственной или основной кровле угольного пласта создаются искусственные опорные конструкции в виде жесткой сетки. В зависимости от устойчивости непосредственной кровли опорные конструкции разрабатываются в двух вариантах. Первый вариант применяется при наличии над угольным пластом устойчивой непосредственной кровли. В этих условиях сооружается комбинированная жесткая сетка, состоящая из продольных подвесных железобетонных опор-балок и поперечных упрочненных полос.

Железобетонные опоры-балки создают путем бурения ориентированных продольных поддерживающих скважин с повторным выходом на поверхность земли. При этом горизонтальная часть скважины бурится в непосредственной кровле параллельно напластованию. Затем в скважину вводят длинномерный гибкий трубопровод с радиальными отверстиями и стальным канатом, расположенном во внутренней полости этого трубопровода. Затем наружное кольцевое пространство и внутреннее тампонируется бетоном и расширяющимся цементным раствором. Таким путем создаются две или более продольные железобетонные опоры-балки, канат и трубы которых закрепляются жестко на поверхности.

Поперечные упрочненные полосы создают путем инъектирования растворов в породный массив через ряд вертикальных скважин. Породная полоса располагается над газифицируемым участком и своими концами опирается на нетронутый угольный массив за пределами границы участка, подлежащего газификации.

При наличии в вышележащей толще пород мощных породо-мостов такая конструкция искусственных опор-балок создает жесткую систему с породо-мостом и обеспечивает резкое снижение деформаций пород кровли и поверхности земли.

Второй вариант используется при наличии неустойчивой непосредственной кровли над участком подземной газификации. В этом случае продольные и поперечные подвесные железобетонные опоры-балки сооружают в устойчивой основной кровле путем бурения поддерживающих наклонно-горизонтальных скважин, аналогичных по конструкции продольным. А горизонтальная часть поперечных поддерживающих скважин бурится ниже уровня продольных железобетонных опор-балок.

При наличии во вмещающих породах надугольного и подугольного водоносных горизонтов прорывы воды в зону газификации из этих горизонтов предотвращают путем создания сетки из опорных конструкций, аналогичных вышеприведенным вариантам в кровле или почве пласта.

Все вышеприведенные системы повышения устойчивости пород кровли и почвы предусматривают закладку выработанного пространства. В этих условиях закладочный материал подбучивает породы кровли и почвы, снижая при этом нагрузку на поддерживающие элементы, и, следовательно, деформацию вышележащей толщи пород.

Пример выполнения изобретения. Участок месторождения с границами 1 вскрывается двумя наклонно-горизонтальными нагнетательными скважинами 2, в которых прокладывается длинномерный гибкий стальной трубопровод 3 с жаростойкими насадками 4 на концах и газоотводящей наклонно-горизонтальной скважиной 5. Одновременно с работами по вскрытию участка осуществляется комплекс мероприятий по упрочнению пород непосредственной кровли и почвы пласта. Для этого с поверхности земли вдоль линии простирания бурятся две или более наклонно-горизонтальные поддерживающие скважины 7, имеющие два выхода на поверхность таким образом, чтобы их горизонтальная часть располагалась в породах непосредственной кровли и ее длина перекрывала размер вскрываемого участка 1 по простиранию. Это позволит создать опору возводимым в этих скважинах металлическим и бетонным конструкциям на нетронутый массив угля и пород. Наклонная же часть скважины располагается за пределами зоны сдвижения пород надугольной толщи (за пределами газифицируемого участка).

В поддерживающих скважинах 7 прокладывают металлическую гибкую длинномерную трубу 8 с радиальными отверстиями 15 по всей ее длине. Внутри трубы 8 располагают стальной канат 10, который вместе с трубой 8 закрепляют на земной поверхности на опорах 11, после чего придают трубе и канату растягивающие напряжения. Кольцевое пространство между стенками скважины 7 и трубой 8 заполняют бетонным раствором. Для предотвращения образования воздушных подушек при заполнении скважины бетоном воздух отводится по трубе 8 через отверстия 15. После твердения бетона 16 и 9 образуется прочная железобетонная конструкция (балка), значительно повышающая устойчивость пород кровли.

Также для повышения устойчивости пород кровли создают поперечные упрочненные породные полосы 13. Для этого с поверхности до кровли угольного пласта бурят вертикальные скважины 12, в которые нагнетают под давлением вяжущий цементный или химический раствор, например, силикатно-хлористо-кальциевый, силикатно-фосфорнокислый, силикатно-алюмо-сернокислый и др. Краевые части упрочненной породной полосы 13 располагают на нетронутых целиках за пределами границы 1 газифицируемого участка.

Над самим же газифицируемым участком поперечные упрочненные полосы 13 опираются на продольные подвесные железобетонные опоры-балки 7.

Таким образом, в породах непосредственной кровли создается жесткая сетка из упрочненных элементов с опорой на нетронутый угольный и породный массивы, в результате чего значительно увеличивается устойчивость кровли, что позволяет затем производить закладку выработанного пространства после выгазовывания всего угольного пласта или в процессе газификации за огневым забоем 6 со значительным отставанием от него. Такая технология закладки исключит вынос закладочной смеси с газом на поверхность.

Закладка выработанного пространства осуществляется через вертикальные скважины 12, а при закладке после окончания газификации участка может производиться и через наклонно-горизонтальные скважины 2 и 5. В качестве закладочного материала могут использоваться любые известные литые, пылевидные или твердеющие смеси.

Вариант с продольными железобетонными опорами-балками и поперечными упрочненными полосами применяют, когда в вышележащей толще пород залегает устойчивая непосредственная кровля, которая вместе с жесткой сеткой из искусственных опорных конструкций будет зависать над выработанным пространством, образуя пустоты, которые затем будут заполнены закладочной смесью.

А если, к тому же, в вышележащей толще пород залегает мощный слой прочной породы (например, песчаник), называемый породо-мостом, то в сочетании с жесткой искусственной сеткой из опорных конструкций создают принципиально новую жесткую систему, препятствующую деформациям и сдвижению пород кровли и поверхности над выработанным пространством. Такое сочетание искусственных и природных факторов создает благоприятные условия для закладки выработанного пространства с отставанием во времени и пространстве.

При наличии в породном массиве надугольного водоносного горизонта устойчивость непосредственной кровли, состоящей из водоупорных глин, суглинков, глинистых сланцев и др. повышают также с помощью подвесных железобетонных опор-балок и поперечных упрочненных полос.

При этом следует отметить, что при сооружении поперечных полос по скважинам 12 подают в водоносный горизонт два реагента, которые, соединяясь между собой и подземной водой, образуют водонерастворимый гидрогель или твердое вещество.

Расстояние между скважинами определяется радиусом растекания растворов. Оно должно быть таким, чтобы закрепленные породы вокруг смежных скважин образовывали сплошные концентрические окружности, перекрывающие друг друга без "окон" в виде сплошной полосы (стены).

В случае, если над угольным пластом залегает неустойчивая непосредственная кровля, не позволяющая создать жесткую сетку из опорных конструкций, тогда такую жесткую систему сооружают в устойчивой основной кровле. В этой кровле бурят поддерживающие наклонно-горизонтальные скважины в продольном и поперечном направлениях, вводят в них длинномерные трубопроводы, канаты, тампонируют и создают жесткие подвесные железобетонные опоры-балки. Причем поперечные скважины 17 бурят в этом же слое ниже уровня продольных во избежание их пересечения (фиг.4) и обеспечения подпора скважин 7, поскольку их длина намного больше, чем поперечных.

Такую же точно конструкцию используют и для повышения устойчивости водоупорных пород почвы, если ниже пласта залегает подугольный напорный водоносный горизонт. Такая система предотвратит прорывы напорных вод из этого горизонта в зону газификации.

Преимущества предлагаемого способа состоят в следующем.

Предлагаемый способ повышения устойчивости пород кровли позволяет увеличить область применения подземной газификации угля за счет вовлечения в отработку месторождений с неустойчивмыи кровлями, в том числе при залегании угольных пластов на малой глубине и при наличии надугольных и подугольных водоносных горизонтов.

За счет предотвращения обрушений пород кровли в полость газогенератора повышается объем активных агентов, подаваемых в зону горения углерода, что повышает эффективность процесса газификации. Также при этом ликвидируется опасность разгерметизации газогенератора за счет образования трещин, провалов и просадок поверхности, и, следовательно, снижается опасность выброса газов на земную поверхность и миграция их в подземные водоносные горизонты. Кроме этого, создание упрочненного целостного устойчивого слоя кровли препятствует проникновению подземных вод в зону газификации, что также благоприятно сказывается на процессе ПГУ.

Существенным преимуществом предлагаемого изобретения является возможность последовательного выполнения процессов газификации угля и закладки выработанного пространства. Это предотвратит попадание закладочного материала в зону горения угля и вынос частиц закладки в газоотводящую скважину. Для закладки можно использовать любые известные пылевидные, твердеющие или литые смеси, которые обеспечат значительно большую величину закладки выработанного пространства и прочность закладочного массива в результате разграничения процессов газификации и закладки во времени и пространстве.