В статье рассматриваются вопросы преспективных и малозатратных направлений интенсификации технологических процессов, изменение свойств и состояния разрабатываемого массива.
Принципы поэтапного гидровоздействия на угольный пласт и эффективность его применения в шахтах.
Постоянное изменение геологических и горнотехнических условий отработки угольных пластов, увеличение глубины работ, повышение газовыделения и пьшеобразования, переход многих пластов в категорию опасных по внезапным выбросам угля и газа, проявление горного давления (пучения пород почвы), трудность поддержания выработок в зоне влияния очистных работ приводят к существенному снижению эффективности и повышению трудоемкости процессов горного производства.
Одним из наиболее перспективных и малозатратных направлений интенсификации технологических процессов является направленное изменение свойств и состояния разрабатываемого массива пород увлажнением с применением соответствующих мероприятий и технологий.
Эффективным комплексным мероприятием по управлению свойствами углей и пород служит гидровоздействие с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ) и поверхностных сред (ПС), действие которых основано на адсорбционном понижении поверхностной энергии твердых тел.
Проблема проникновения водных растворов в породный массив неразрывно связана с геомеханическими процессами, протекающими при ведении горных работ, раскрытием механизма управления горным давлением как одной из первопричин проявления вредностей в шахтах (газовыделения, пылеобразоваиия, выбросоопасности, проявлений горного давления). В этом случае особое место отведено взаимодействию системы твердое теловодный раствор ПАВ-ПС.
Достижение существенного изменения прочностных, упругих, реологических и компрессионных характеристик пород под действием растворов ПАВ-ПС при их сравнительно низкой стоимости, экологической безопасности и минимуме дополнительных затрат становится возможным при широком применении гидровоздействия в подземных условиях.
Переходя от узкого рассмотрения применения гидровоздействия как способа борьбы с с одним из негативных явлений в шахтах к комплексному, когда гидровоздействие влияет на основной объект технологии - массив горных пород, мы получаем возможность управ-ления его свойствами на базе энергетических представлений о механизме перераспределе-ния горного давления в зоне, примыкающей к горной выработке .
Уточнив механизм и представление о проявлении горного давления на основе энергетической модели перераспределения его в зоне влияния очистных работ и увлажнения, можно получить возможность не только прогнозировать, но и управлять параметрами отдельных технологических процессов .
Принято считать, что параметры гидровоздействия на угольный пласт - величины постоянные и не требуют уточнения в период ведения горных работ . К этим параметрам следует отнести: время нагнетания Т, ч; длину скважин длину герметизации длину фильтрующей части м; расстояние между скважинами а, м; расход водного рас-
твора ПАВ-ПС Q, м; удельный расход q, м/т; проницаемость угля k; радиус влияния скважины г, м и др..
Исследованиями, проведенными в ДонГТУ, установлено, что процесс гидровоздействия необходимо рассматривать в динамике и наиболее существенное отличие предлагаемых принципов увлажнения заключается в том, что учитываются изменение размеров и распо-ложение скважин в зависимости от формирования и перемещения зоны максимума опор-ного давления, в свою очередь определяемого направленным изменением физико-механических и компрессионных свойств угля . Так, если увлажняющая скважина заложена до зоны максимума опорного давления, она не работает .
Выдавливание растворов происходит в большинстве случаев в выработку, падение давления в скважине и планируемый расход жидкости не достигаются. В случае, когда скважина заложена за зоной максимального опорного давления , она работает до влагонасыщения угля и снижения его прочностных и компрессионных характеристик, приводящих к перемещению максимума опорного давления в глубь пласта и перераспределения его вокруг выработки . Если не изменить параметры скважины то произойдет выдавливание растворов в выработку и скважина придет в нерабочее состояние. Следует пересмотреть наши представления о неизменности параметров увлажнения и геометрии скважин во времени, сформировать новые принципы технологии увлажнения, позволяющие повысить эффективность его применения. Они заключаются в том, что процесс влагонасыщения угля рассматрирается во времени и включает поэтапное гидровоздействие на массив .
Первая группа скважин закладывается с параметрами, опредленными с учетом расположения максимума опорного давления, и работает в течение времени Т, до достижения прироста влажности, обеспечивающего изменение прочности угля. Процесс нагнетания раствора и определение величины описывается выражением о соответствии с соотношением при превышении определяемых параметров происходит перемещение максимума опорного давления в глубь массива, что требует перехода на вторую группу скважин (после отключения первой) с параметрами, определяемыми из в течение времени Т происходит прирост влажности и изменение предела прочности, приводящее к перемещению зоны максимума опорного давления и необходимости изменения (перехода на III этап увлажнения) параметров.
При поэтапном увлажнении получены следующие преимущества:
1. Объем работ по бурению скважин уменьшается.
2. Все скважины работают более эффективно, возможность прорыва воды в выработку минимальна.
3. Достигается более полное и равномерное влагонасыщение краевой части пласта.
4. Эффект от увлажнения максимален, метан а) частично изолируется или вытесняется за зону максимума опорного давления (которое в этом случае препятствует перемещению газа в сторону выработки), б) вытесняется в выработку при конечном процессе на каждом этапе, приводя к увеличению зоны метанового дренирования на краевой части пласта.
5. Отмечается дополнительный эффект прироста влажности при перемещении зоны максимума опорного давления (автонагнетание).
Обобщая представления о процессе проникновения водных растворов ПАВ-ПС в массив угля и перераспределения горного давления в зависимости от изменения прочностных характеристик угля, можно составить модель взаимодействия системы уголь (порода)-газ-растворы ПАВ-ПС следующим образом:
1. Угольный пласт представлен неоднородным, пористым и газонасыщенным массивом (разбитым системой трещин на блоки).
2. Угольный пласт на больших глубинах подвержен интенсивному горному давлению:
в массиве находится в состоянии трехосного сжатия, на краевых участках - двуосного. Его пористость представлена субмакро-, макро- и микропорами .
3. Проницаемость угля является величиной переменной и зависит от удаленности очистного забоя, а также степени его влияния на угольный пласт. В зоне влияния очистного забоя проницаемость наиболее высока и при удалении от забоя она снижается, практиче-ски приближается к нулю. Величина проницаемости определяет режим нагнетания.
4. Газонасыщенный уголь содержит газ, в основном генетически связанный и лишь в минимальных объемах - свободный. При разрушении угля при повышенном горном давлении связанный газ частично переходит в свободное состояние и по трещинам вместе с имеющимся свободным газом интенсивно выделяется в горные выработки.
5. При разрушении угольного пласта выделяется пыль, имеющаяся на стенках трещин в угле и образующаяся при воздействии исполнительных органов машин. Угольная пыль появляется при транспортировке угля и перегрузках транспортными механизмами. Она отличается повышенной способностью к витанию, откладывается на поверхностях, в большинстве случаев взрывчата, в особенности при наличии газа в горных выработках.
6. Выбросоопасные свойства угля определяют особые условия его разработки и контроля за его состоянием. Повышенное горное давление, наличие газа, способного к быст-рому переходу из связанного в свободное состояние, а также физико-химические свойства газа приводят при разработке к освобождению энергии горного давления, растрескиванию угольного пласта и быстрому перемещению массива в сторону выработки совместно с на-растающим потоком газа.
7. Угольные пласты подвержены горному давлению, интенсивность которого возрастает при наличии горных выработок, нарушающих сплошность массива и вызывающих пере-распределение горного давления вокруг них. Очистной забой (при постоянном его движении) формирует перемещающуюся зону опорного давления. В свою очередь, продвижение зоны опорного давления впереди очистного забоя влияет на проницаемость пласта - способность дренировать газ и принимать подаваемые в пласт водные растворы .Горное давление является главным фактором, определяющим повышение газовыделения и пылеобра-зования, а также способность к внезапным выбросам, проявлению активного сближения кровли и почвы горных выработок.
8. Жидкость, подаваемая в поровое пространство угля, смачивает его поверхности лишь тогда, когда она содержит поверхностно-активные вещества. В этом случае следует говорить об активных поверхностных средах, которые приводят к смачиванию. Величина добавки ПАВ определяется свойствами угля.
9. Нагнетаемые в угольный пласт водные растворы ПАВ-ПС проникают в зоны с перемятым менее прочным углем, обволакивают участки более прочного угля и с ростом давления при длительном воздействии проникают в них, приводя к гидронасыщению.
10. Гидронасыщение угля повышает его влажность, что, в свою очередь, ведет к изменению физико-механических и компрессионных свойств, которые определяют условия формирования горного давления, т. е. наблюдается переход от хрупкого разрушения углей к пластическому. Несущая способность углей уменьшается и процесс нагружения и разрушения в этом случае представляется следующим образом. Увлажненный уголь деформируется горным давлением до образования упрочненного ядра и лишь после этого начинает воспринимать нагрузку и разрушается. После увлажнения уголь теряет возможность к мгновенной реализации накопленной энергии.
11. Нагнетание рассматривается как динамический процесс влияния на свойства угля, а также на формирование перемещающегося фронта максимума опорного давления впереди зоны увлажнения . При расположении фильтрующей части скважины перед областью максимального воздействия опорного давления нагнетание приводит к вытеснению газа в горные выработки и повышенной вероятности прорыва в них растворов. При ее расположении за указанной областью газ перемещается в глубь массива и наблюдается эффект микрокапиллярной изоляции. Процесс нагнетания будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет влагонасыщение угля и максимум опорного давления не сместится в массив. В таком случае необходимо прекратить нагнетание в эти скважины и начать бурить новые, фильтрующая часть которых будет располагаться за зоной вновь сформировавшегося максимума опорного давления.
12. Нагнетание водных растворов ПАВ-ПС следует рассматривать как комплексное мероприятие по борьбе с проявлениями вредностей в шахтах, и проводить его необходимо на всех этапах разработки.
Уточненная модель геомеханических процессов вокруг выемочных выработок при увлажнении угля растворами ПАВ-ПС позволяет направленно изменять его свойства (прочность, гидрофильность, способность к газовыделению, выбросоопасность, склонность к проявлению горного давления), учитывая энергоемкость разрушения краевой части пласта и динамику протекания процессов увлажнения.
В конечном итоге формируются новые технологические принципы увлажнения на выемочном участке, заключающиеся в рациональном использовании существующих схем и оптимизации их параметров для получения максимального эффекта с наименьшими затратами. Следует уточнить, что увлажнение применяется только в зоне влияния очистных работ, лишь с применением ПАВ-ПС и только с учетом динамики протекания процессов увлажнения массива (перемещения максимума опорного давления в глубь массива, автонагнетания, многостадийности увлажнения).
Библиографический список
1. Виноградов В.В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок. Киев. Наукова думка, 1989г., 191с.
2. Чернов О.Н., Мурашов В.И., Шлимовичус Я.Г. Исследование предварительного увлажнения пластов как способа воздействия на механические свойства и напряженное состояние угольного массива. - В сб. Проявление горного давления на увлажненных угольных пластах ЦНИИЭНТИ угольной промышленности. М.: Недра. 1968, С.3-10.
3. Бондаренко Ю.В., Демин И.К., Артамонов В.Н., Бондаренко А.Ю. Исследование влияния влажности угля на энергоемкость его разрушения и пучение почвы выемочных выработок. Известия Донецкого горного института, 1996, N 2. С.5-9.
4. Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах, 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Недра, 1979, С.29-33.
5. О возможности управления технологическими свойствами угля увлажнением краевой части пласта. Известия Донецкого горного института. 1995, N1, С.19-22.