способ обрушения покрывающих пород

Формула изобретения

Способ обрушения покрывающих пород, включающий бурение вертикальных скважин и формирование горизонтальных и вертикальных поверхностей ослабления методом гидроразрыва, отличающийся тем, что первоначально образуют горизонтальную поверхность ослабления в виде трещин гидроразрыва покрывающих пород нагнетанием жидкости из вертикальных скважин, пробуренных на расстоянии, равном шагу обрушения, а по мере подвигания очистного забоя и зависания породной толщи повторным нагнетанием жидкости создают вертикальную поверхность ослабления в виде вертикальных трещин гидроразрыва.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам борьбы с горными ударами на глубоких горизонтах.

Известен и находит практическое применение взрывной способ принудительного обрушения прочных пород кровли, зависающей между опорами или позади фронта очистной выемки. В частности, для рассматриваемого случая из опережающих фронт очистных работ подготовительных выработок в породы кровли проходятся восстающие и буровые камеры, из которых бурятся два или несколько вееров глубоких скважин, заложенные в них заряды взрываются одновременно с массовым взрывом скважинных зарядов отбиваемой секции рудной залежи. Зависающая породная "консоль" обрушается крупными блоками, из-под которых осуществляется выпуск более мелких кусков раздробленной руды [Галаев Н.З. Управление состоянием массива горных пород при подземной разработке рудных месторождений. М.: Недра, 1990, с. 127].

Недостатками способа являются его высокая трудоемкость, большой расход взрывчатых веществ и разубоживание руды при выпуске, поскольку часть принудительно обрушаемых и разрушаемых взрывом пород неизбежно будет представлена также мелкими фракциями.

Также известен метод предотвращения горных ударов путем заблаговременного создания в покрывающей рудное тело породной толще "разгрузочных зон", в виде разгрузочных щелей или "строчки" скважин, породные "целики", между которыми будут разрушаться по мере увеличения интенсивности напряжений [Козырев А. А. , Мальцев В.А., Панин В.И., Рыбин В.В. Опыт профилактики горных ударов на Хибинских апатитовых рудниках. Горный журнал, N 4, 1998, с. 50]. Недостатками этих способов являются очень большой объем непроизводительных породных работ, а во втором случае ("строчки скважин") и недостаточная надежность.

Известен также способ, принятый за прототип, заблаговременного создания поверхностей ослабления, гарантирующих крупноблочное обрушение зависающей позади фронта очистных работ консольной породной толщи. В этом способе одна из поверхностей ослабления образуется в виде трещины гидроразрыва породного массива, развивающейся в плоскости, перпендикулярной к минимальной компоненте тензора гравитационно-тектонических напряжений, а вторая поверхность ослабления образуется взрыванием скважинных зарядов [Авторское свидетельство СССР, N 1411473, 22 марта, 1988], как и в первом из перечисленных аналогов [Галаев Н.З. Управление состоянием массива горных пород при подземной разработке рудных месторождений. М. : Недра, 1990]. Например, если минимальные напряжения _min= _z имеют вертикальную ориентировку, трещины гидроразрыва будут развиваться в горизонтальной плоскости xy, а вертикальные поверхности ослабления в плоскости xz образуются буровзрывными работами.

Недостатками данного способа является то, что он лишь наполовину сокращает объем трудоемких буровзрывных работ и связанное с ними разубоживание выпускаемой после массового взрыва руды.

Задачей предлагаемого способа является устранение перечисленных недостатков, т.е. снижение трудоемкости работ.

Задача решается тем, что в предлагаемом способе обрушения покрывающих пород, включающем бурение вертикальных скважин и формирование горизонтальных и вертикальных поверхностей ослабления методом гидроразрыва, первоначально образуют горизонтальную поверхность ослабления в виде трещин гидроразрыва покрывающих пород нагнетанием жидкости из вертикальных скважин, пробуренных на расстоянии, равном шагу обрушения, а по мере подвигания очистного забоя и зависания породной толщи, повторным нагнетанием жидкости создают вертикальную поверхность ослабления в виде вертикальных трещин гидроразрыва.

Как показало обобщение большого объема натурных измерений естественного поля гравитационно-тектонических напряжений массива скальных пород на глубинах до 5 км на разных континентах, характерным является следующее соотношение нормальных напряжений (B.Haimson. Hydrofracturung Stress-Measurung Method and Recent Results. Int. Jnl. Rock Mechanics and Mining Sciences. Vol. 15, N 4, 1978, pp. 408-421)

_y>_z>_x, (1)

то есть максимальные и минимальные напряжения являются горизонтальными, а в тектонически активных районах с кольцевыми структурами (Хибиногорское апатитовое месторождение и др. ) или горстовыми поднятиями (Тырныаузское месторождение и др.) тектонические напряжения остаются выше гравитационных:

_y>_x>_z (2)

Например, на Хибиногорском месторождении при глубине работ 600-700 м тектонические напряжения достигают 40-60 МПа [Козырев А.А., Мальцев В.А., Панин В. И., Рыбин В.В. Опыт профилактики горных ударов на Хибинских апатитовых рудниках. Горный журнал, N 4, 1998, с. 47-51]. При этом гравитационные напряжения

_z= gH не превышают 20 МПа, то есть _y 2.5_z 50 МПа и _x 1.5_z 30 МПа.

При этих условиях трещины гидроразрыва, проведенного с достаточным опережением фронта очистных работ, за пределами зоны опорного давления, будут развиваться в горизонтальной плоскости "xy", а необходимое давление напорной воды в скважине в общем виде можно выразить уравнением [Авторское свидетельство СССР, N 1544949, 23 февраля 1990 г.]:

P_z= k_z+P_пл+P_z, (3)

где к- коэффициент концентрации напряжений около стенки скважины, согласно теореме Лямэ изменяющийся от 1 до 2, с учетом трещиноватости пород к1;

P_пл - пластовое давление жидкостей, заполняющих поры и трещины породного массива (в условиях горного рельефа и гравитационного дренажа пород P_пл 0);

P_z- механическое сопротивление породного массива разрыву, которое при объемном характере развития деформаций определяется с учетом ослабляющего эффекта сжимающих усилий _yи _x [Авторское свидетельство СССР, N 1544949, 23 февр. 1990]:

(4)

а энергетический критерий прочности А.Гриффитса определяется выражением:

(5)

где a_z= 4[_p]+_y; [_c]и[_p] - временное сопротивление пород одноосному сжатию.

В условиях Хибиногорского месторождения при [_c]=200МПа; [_p]=15МПа; ₂=0.5

_x=0.2 получим a_z=80; [_p]^*_z=3.1МПа, P_z=2.6МПа; P_z=22.6МПа.

В призабойной зоне скважины за пакером повышение давления до P_z обеспечивает образование горизонтальной трещины радиусом R L₀, где L₀ - заданный шаг обрушения "отрезанной" трещиной гидроразрыва породной толщи мощностью H_0, соответствующей длине указанной вертикальной скважины, пробуренной из опережающей подготовительной выработки (или, если это проще и дешевле - с земной поверхности).

По мере подвигания фронта очистных работ на величину L₀, скважина оказывается вблизи максимума концентрации опорного давления k₀. Вертикальные напряжения окажутся больше минимальных горизонтальных напряжений то есть трещина гидроразрыва из той же скважины будет развиваться в вертикальной плоскости "yx", облегчая обрушение зависающей породной консоли L₀H₀ в момент массовой отбойки очередной рудной секции. Отбитая массовым взрывом руда окажется под крупными породными блоками и может быть выпущена без существенного разубоживания.

Таким образом, предлагаемый порядок гидроразрывов породной толщи, покрывающей рудную залежь, с учетом влияния опорного давления на компоненты тензора гравитационно-тектонических напряжений, позволяет образовать горизонтальные и вертикальные плоскости ослаблений, обеспечивающих планомерное крупноблочное обрушение этой породной толщи без опасных зависаний, вызывающих деформации выработок днища и горные удары.

Способ осуществляется в следующем порядке и поясняется чертежом.

Мощное рудное тело 1 отрабатывается секциями 2 вкрест простирания системой разработки с массовым обрушением руды 3 и вмещающих пород 4. В каждой секции бурение взрывных скважин 5 по рудному телу 1 производится из опережающей фронт очистной выемки подготовительной выработки - бурового орта 6. Выпуск отбитой руды 3 на откаточный горизонт 7 осуществляют под крупноблочными породами 4. Во избежание опасного зависания консоли покрывающих пород 8, вызывающего концентрацию опорного давления, деформации выработок и горные удары, эту зависающую породную толщу ослабляют горизонтальной трещиной гидроразрыва 9, которая делит ее на два или несколько породных слоев мощностью H. Трещину гидроразрыва 9 образуют из вертикальной скважины 10 длиной не менее H, которую бурят из бурового орта 6 на расстоянии L₀ от фронта очистных работ 11 вне зоны опорного давления.

Без влияния опорного давления тектонические напряжения _yи _x превышают вертикальные гравитационные напряжения _z. Поэтому трещина гидроразрыва развивается в горизонтальной плоскости xy по нормали к минимальным действующим напряжениям _z. . При подвигании очистного забоя 11 на длину, близкую L₀, скважина 10 окажется в зоне максимальной концентрации k₀ опорного давления от зависающей породной консоли длиной L₀, и вертикальные напряжения окажутся больше одного из горизонтальных, т.е. При таком техногенном изменении тензора гравитационно-тектонических напряжений и повторном нагнетании в скважину 10 напорной жидкости (воды) примерно вдоль ее оси образуется вертикальная трещина гидроразрыва 12 (в плоскости "yz" по нормали к минимальному действующему напряжению _x ), которая пересекает породные слои H, что при массовой взрывной отбойке очередной рудной секции обеспечивает крупноблочное обрушение зависающей породной толщи, начиная с нижнего слоя H с шагом обрушения не более L₀. Расстояние между вертикальными скважинами и трещинами, то есть шаг принудительного обрушения покрывающих пород выбирают, исходя из допустимой концентрации опорного давления и предотвращения горных ударов.

При этом операции гидроразрыва могут производиться с использованием обычной технологии, стандартных пакеров и насосов, широко применяемых в нефтяной и газовой промышленности [Усачев П.М. Гидравлический разрыв пласта. М.: Недра, 1986, 168 с.]. Для упрощения работ и исключения необходимости монтажа в сети горных выработок высоконапорных трубопроводов, может быть реализована технология безнасосного гидроразрыва с необходимым повышением давления воды путем ее нагревания в замкнутом сосуде электронагревателем [Авторское свидетельство СССР, N 1781419, 15 дек. 1992] с подводом энергии от имеющейся в выработках сети, а также с использованием пакера многократного использования, герметизирующего напорный интервал скважины давлением той же нагретой воды [Авторское свидетельство СССР, N 1544949, 23 февр. 1990].