Создание методов и средств флюидоразрыва горных пород тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

Л* ' > ..... ¿г • • V я .У

Г .: " * - г ' У £-7 г."1 "

АКАДЕМИЯ НАУК РАН СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА

д На правах рукописи

Кю Николай Георгиевич

СОЗДАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ФЛЮИДОРАЗРЫВА ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность: 01.02.07 - «Механика сыпучих тел, грунтов и горных пород»

Диссертация

на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант: д.т.н., профессор Чернов Олег Игнатьевич

Новосибирск -1999

СОДЕРЖАНИЕ С1р.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................6

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ФЛЮИДОРАЗРЫВОВ ГОРНЫХ ПОРОД, СПОСОБОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ П 1.1 .Состояние исследований по флюидоразрыву горных пород 1 \ 1.2.Основные принципы ориентации плоскости флюидоразрыва 26 1.3.Физические принципы контроля размеров разрывов в горных породах 36 1 АВлияние свойств горных пород на физические поля 41 1.5. Цель и задачи исследований 46 ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ И СРЕДСТВ РАЗРЫВА БЛОКОВ ИЗ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ГОРНЫХ ПОРОД 51

2.1. Особенности флюидоразрывов в блоках из горных пород и эквивалентных материалов 51

2.2. Назначение и особенности инициирующих щелей 57

2.3. Устройства для нарезания инициирующих щелей 70

2.4. Устройства для герметизации шпуров и нагнетания в них флюидов 88

2.5. Средства разрыва блоков горных пород без применения инициирующих щелей 97

Выводы по главе 2............................................................................................................103

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ РАЗРЫВОВ В БЛОКАХ Ю5 3.1.Особенности контроля параметров разрывов в физических моделях и блоках из горных пород 105

3.2.Определение размеров разрыва по интенсивности светового потока 106

3.3.Измерение параметров разрыва с использованием сигнальных линий 111

3.4 .У становление площади зоны, занятой флюидом, по емкостному сопротивлению 113 3.5.Определение площади зоны, занятой флюидом, электромагнитным методом 125

3.6.Измерение границы трещины сейсмоэлектромагнитным методом 132

3.7.Размеры трещины в зависимости от её раскрытия 138

3.8.Рекомендации по контролю параметров трещин, создаваемых в блоках 142

Выводы по главе 3............................................................................................................143

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ФЛЮИДОРАЗРЫ-ВА В БЛОКАХ ИЗ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ГОРНЫХ

ПОРОД 144

4.1 .Особенности зарождения и развития трещины флюидораз-рыва 144

4.2 .Флюидоразрыв пластичным флюидом 151

4.3 .Форма трещины флюидоразрыва и её изменение во времени 156

4.4.Движение пластичных флюидов в трещине флюидоразрыва 165

4.5 .Взаимное влияние среды и трещины флюидоразрыва 169 4.6.Ориентированный разрыв энергией воды при замерзании 178 4.7.Эксперименты по разрыву горной породы пластичным флюидом 183

Выводы по главе 4..................187

ГЛАВА 5. РАЗВИТИЕ БЕЗВЗРЫВНЫХ СПОСОБОВ ОТДЕЛЕНИЯ

ГОРНОЙ ПОРОДЫ ОТ МАССИВА 189

5.1 .Анализ способов отделения горной породы от массива 189 5.2.Отделение горной породы от массива внедрением клиньев в

шпуры с сыпучим материалом и пластичным флюидом 193

208

226

226 231

5.3.Совершенствование существующей технологии добычи

кристаллического сырья

912

5.4. Нетрадиционный подход к добыче блочного камня

5.5.Технические средства для отбойки горной породы от массива.

Выводы по главе 5............................................................

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ФЛЮИДОРАЗ-РЫВОВ В ПОРОДНЫХ МАССИВАХ

6.1 .Особенности проведения флюидоразрывов в породных массивах

6.2.Устройства для прорезания инициирующих щелей

6.3.Средства для герметизации скважины и нагнетания в неё флюида

6.4.Создание трещины флюидоразрыва при наличии множества скважин

6.5.Флюидоразрыв породного массива гравитационными силами

Выводы по главе 6.........................................................

ГЛАВА 7. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ РАЗРЫВОВ В ПОРОДНЫХ МАССИВАХ 262

7.1.Определение параметров трещины вблизи обнажённой поверхности

7.1.1 .Жидкостный датчик в качестве сигнальной линии

7.1.2.Способы с использованием флюида в качестве проводника электрического тока

7.1.3.Контроль движения флюида с помощью красителя

7.1.4 .Установление границы зоны, занятой флюидом в трещине, по току смещения

7.1.5. Сейсмические методы измерения размеров трещины и скорости её развития

245

249

262 262

264

272

7.1.6.Шахтные эксперименты определения параметров трещин, создаваемых вблизи горных выработок 292

7.1.7.Рекомендации по контролю флюидоразрыва 294 7.2.Измерение параметров флюидоразрыва в нетронутом породном массиве 295

7.2.1 .Особенности исследуемых способов 295

7.2.2 .Определение размеров разрьюа электрометрическим методом 296

7.2.3 .Экспериментальное определение зависимости между размерами искусственной щели и электросопротивлением среды 298

7.2.4. Электромагнитный метод установления радиуса трещины 302 7.2.5.0ценка площади трещины по расходу флюида 305

7.2.6.Предложения по контролю параметров флюидоразрыва 306

Выводы по главе 7......................................................................................................308

ГЛАВА 8. РАЗВИТИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРЫВОВ ГОРНЫХ ПОРОД ФЛЮИДАМИ 309

8.1 .Выбор места заложения инициирующей щели 309

8.2.Расслоение труднообрушаемой кровли флюидоразры-лом 316

8.3.Скважинно-щелевой способ дегазации угольных пластов 324

8.4. Флюидоразрыв породного массива вертикальной трещиной 333 Выводы по главе 8 340

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 342

ЛИТЕРАТУРА 344

ПРИЛОЖЕНИЕ 370

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Одно из приоритетных направлений развития науки, активно поддерживаемое Российским фондом фундаментальных исследований, заключается в рациональном освоении и сохранении недр. В соответствии с этим в Институте горного дела СО РАН ведутся работы по созданию нетрадиционных геотехнологий с применением метода ориентированного флюидоразрыва (ОФР), развитие которого позволит в породном массиве образовывать системы сообщающихся между собой трещин, щелей и скважин. С помощью подобных систем можно осваивать месторождения некоторых полезных ископаемых без строительства шахт, рудников и, следовательно, вести их разработку более безопасно и экологически чисто. Всё большее распространение метод ориентированного флюидоразрыва получает в способах управления труднообрушаемой кровли, дегазации угольных пластов, выщелачивания сульфидных руд, тампонирования горных пород, безвзрывной разборки содержащих драгоценные кристаллы участков массива, добычи строительного камня.

Актуальность работы обусловлена также необходимостью создания трещин ОФР со специальными свойствами для решения вопросов эффективного поиска месторождений, разработки нетрадиционных методов их освоения, диагностики состояния породных массивов, передачи информации через толщу горных пород, совершенствования существующих технологий горного производства.

Исследования проводились по плану НИР Института горного дела СО АН СССР в том числе в рамках Региональной программы "Сибирь", выполняемой согласно совместному постановлению АН СССР и ГЬСНТ СМ СССР по науке № 385/96 от 13.07.84 и программы НИР Минуглепрома СССР на 1981-1985 гг. и до 1990 г. (ПО 10510, 0111600000, 0111900000, 4-27-2114/308).

Цель работы - разработка и обоснование методов управления флюидоразрывом горных пород.

Идея работы состоит в использовании закономерностей процесса разрыва и развития трещины при нагнетании флюидов с различными свойствами в породный массив с созданным концентратором напряжения.

Задачи исследований:

- обосновать и разработать способы и средства проведения ОФР в блоках горных пород;

- исследовать принципы и разработать способы и средства определения параметров флюидоразрыва;

- установить влияние свойств флюида на параметры создаваемой трещины ОФР;

- разработать способы и средства проведения ОФР в породных массивах;

- на основе принципов контроля и управления флюидоразрывом разработать способы и средства технических приложений ОФР.

Методы исследований. Анализ и обобщение методов и средств исследования процессов флюидоразрыва; физическое моделирование с использованием эквивалентных материалов и жидкостных сред; проведение лабораторных и промышленных испытаний новых способов и средств управления ОФР твёрдых тел и горных пород; математическое моделирование и теоретическое обоснование результатов исследований.

Научные положения, защищаемые автором:

- заданные размеры, форма и ориентация трещины флюидоразрыва достигается сочетанием параметров инициирующей щели, режимом нагнетания и свойствами флюида;

- управление фронтом перемещения ориентированной трещины может быть обеспечено скважинами, расположенными в плоскости флюидоразрыва;

- использование флюида с удельным весом, превышающим удельный вес горных пород, позволяет осуществлять флюидоразрыв без напорных установок и герметизации скважины;

- параметры трещины с флюидом можно определять по её способности излучать или принимать упругие и электромагнитные волны.

- при прохождении флюида, электрическое сопротивление которого зависит от давления, электромагнитная волна модулируется возникающими в нем упругими колебаниями;

Научная новизна:

- доказана возможность сочетанием параметров инициирующей щели, режима нагнетания и свойства флюида создания в горной породе трещины с заданными размерами, формой и ориентацией;

- доказана возможность использования скважин для управления перемещением фронта флюидоразрыва;

- найдена форма рабочего органа щелеобразователя, обеспечивающая максимальное использование абразивного материала;

- установлен эффект модуляции упругими колебаниями электромагнитной волны при её прохождении через флюид в трещине, электрическое сопротивление которого зависит от давления;

- доказано, что параметры трещины с флюидом можно определять по её способности излучать или принимать упругие и электромагнитные волны.

Достоверность научных положений и выводов обеспечивается необходимым объёмом экспериментов в лабораторных и натурных условиях, применением фундаментальных законов, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также использованием разработанных методов и средств флюидоразрыва горных пород в условиях действующих предприятий.

Практическое значение работы заключается в создании комплекса методов и средств, позволяющих в горной породе образовьюать трещины заданных размеров, формы и пространственного положения. Обоснованы и предложены методы определения параметров разрывов в блоках, вблизи горных выработок или земной поверхности, а также в нетронутом породном массиве. Разработаны и испытаны устройства для прорезания инициирующих щелей, герметизации скважин, нагнетания флюидов с различной вязкостью, в том числе пластичных.

Внедрение результатов и рекомендаций работы.

Научные результаты и рекомендации использованы в нормативно-методических документах, в том числе принятой к внедрению в Минуглепроме СССР "Инструкции по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на выемочных участках. JL, ВНИМИ, 1982." Способ гидродинамической стратификации кровли методом ориентированного флюидоразрыва внедрён на шести шахтах Кузбасса ("Распадская" "Томская" , "Юбилейная", "Им. 60-летия Союза ССР", "Дальние горы", "Комсомолец"). Согласно приказу Министра угольной промышленности СССР № 185 от 14.09.89 по шахте "Распадская" принято решение об изготовлении 50 комплектов оборудования для внедрения на этой шахте способа гидродинамической стратификации труднообрушаемой кровли. Результаты исследований включены также в "Нормативно-методическое руководство по управлению горным давлением с применением ориентированного флюидоразрыва пород в лавах, оснащённых выемочными комплексами, в шахтах Ерунаковского района Кузбасса, 1997".

Личный вклад автора заключается в обосновании и разработке принципов и конкретных методов управления флюидоразрывом; получении новых знаний о взаимодействии хрупкой среды с различными флюидами; разработке оборудования для проведения и контроля флюидоразрыва и флюидорасчленения; участии в стендовых, карьерных, рудничных и шахтных испытаниях и внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на IV междуведомственном региональном семинаре "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах" (г. Новосибирск, 1979 г.); Всесоюзном семинаре "Физические свойства пород в массиве" (г. Новосибирск, 1980 г.); II научном семинаре "Горная геофизика" (г. Сухуми, 1983 г.); IV и V Всесоюзных семинарах "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" (г. Новосибирск, 1984 г., 1986 г.); II Международной научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (г. Кемерово, 1998 г.),

Научно-практической конференции "Геотехнология на рубеже XXI века" (г. Новосибирск, 1999 г.); на семинарах Института горного дела СО РАН.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 77 научных работ, из них 74 отражают основное содержание диссертации, в том числе 52 авторских свидетельства и патента на изобретения.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения на стр. машинописного текста и содержит 151 рисунок, 16 таблиц, список литературы из 282 наименований и приложений на 61 стр.

Автор выражает искреннюю признательность научному консультанту д.т.н., проф. О.И.Чернову, академику РАН М.В.Курлене, д.т.н. А.М. Фрейдину, благодаря которым автору удалось довести работу до завершения. Благодарит сотрудников лабораторий нетрадиционных геотехнологий, подземной разработки рудных месторождений, СКБ ПГ СО АН СССР, результаты совместные исследований которых частично использованы в диссертации.

Г ЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ФЛЮИДОРАЗРЫВОВ ГОРНЫХ ПОРОД, СПОСОБОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ

1.1. Состояние исследований по флюидоразрыву горных пород Впервые эксперименты по гидроразрыву (флюидоразрыву) твёрдых тел (стеклянных колб и цилиндров) были выполнены в начале 20-х годов английским ученым и инженером А. Гриффитсом. Гриффите работал в авиационном центре и занимался проблемой внезапного разрушения крупных изделий из металла. Он предположил, что причиной хрупкого разрушения материала являются трещины. Ему удалось получить соотношение, связывающее критический размер трещины эллиптической формы и напряжение в образце [1, 2]. Это инициировало создание теории хрупкого разрушения (теории Гриффитса). Согласно теории Гриффитса

где иу{г)~ поверхностная энергия трещины; 11(Р,г) - энергия упругих

деформаций, обусловленная раскрытием трещины длиной 2 г под действием давления Р (растягивающих напряжений) на поверхностях.

Решение уравнения (1.1) даёт выражение предельной разрушающей нагрузки для пластины с трещиной в виде:

где Е - модуль упругости; /0 - удельная поверхностная энергия материала.

Проверяя формулу (1.2) для стекла Гриффите получил хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных. Однако для многих материалов эта формула давала большую ошибку.

Д. Ирвином и Е.Орованом было установлено, что при разрушении большинства материалов на поверхностях трещины образуется слой с

(1.1)

(1.2)

остаточной деформации, на образование которого также расходуется энергия. В связи с этим Орован представил формулу (1.2) в виде [3]:

Р= №<Го+гя) V яг

(1.3)

где Уп - энергия, затрачиваемая на пластическую деформацию материала при образовании единицы площади новой поверхности.

В формуле (1.3) сумма То+У» ~ У названа плотностью эффективной поверхностной энергии материала. Она согласно результатам исследований Бобрякова А.П. [4] зависит от скорости образования новых поверхностей. Однако в случае малой скорости роста трещины, что имеет место при флюидоразрыве в квазистатическом режиме, величину у можно считать постоянной.

Если в формуле (1.3) от абсолютных перейти к относительным значениям входящих в неё величин, то

(1.4)

где 2*о - длина исходной трещины, которая при достижении давления Р0 (растягивающих напряжений) на её поверхностях начинает расти.

Формула (1.4) справедлива не только для трещины в пластине, но и для флюидоразрывов образцов и небольших блоков из горных пород и эквивалентных материалов. Это видно из результатов экспериментов, которые представлены в четвёртой главе.

В теории трещин кроме энергетического подхода, на основе которого получены формулы (1.1-1.4), существует так называемый "силовой" подход [5-11]. Энергетические и силовые критерии разрушения материала эквивалентны между собой, что подтверждается результатами многочисленных экспериментов. Во многих случая силовые критерии удобнее

энергетических. Для их определения нет необходимости рассматривать энергию всей деформированной области среды с трещиной. Условия роста трещины определяются локальными напряжениями в зоне, прилегающей к её вершине (границе).

Напряжения в вершине трещины в период роста больше, чем в окружающей её области. Количественно это оценивается коэффициентом

ко