проф.к.т.н.Артамонов В.Н., Николаев Е.Б., Украина, Донецкий Национальный Технический Университет.
В статье обосновывается вопрос перехода от узкого рассмотрения применения гидровоздействия как способа борьбы с одним из негативных явлений в шахтах к комплексному, расширяя тем самым область применения низконапорного увлажнения, обеспечивая эффективность и безопасность ведение горных работ.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ УВЛАЖНЕНИЕ КАК КОМПЛЕКСНЫЙ МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ
Донецкий бассейн известен как уникальное месторождение каменных углей по сложности и разнообразию горно-геологических условий. Увеличение глубины разработки приводит к неизбежному росту газоносности пластов и увеличению газо-вьщеления в шахтах, создает трудности с проветриванием и сдерживанию нагрузки на очистные забои.
В настоящее время на 53 шахтах бассейна горные работы ведутся на глубине более 800 м, на 37 - более 1000 м. Отметку 1200 м превзошли 8 шахт.
Одновременно, с увеличением глубины, наблюдается тенденция возрастания частоты и силы газодинамических явлений (ГДЯ), увеличения числа пластов, склон-ных к внезапным выбросам.
На 132 шахтах разрабатывается 492 шахтопласта, склонных к ГДЯ (опасных и угрожаемых), и 70 - не подверженных этим явлениям. Почти 92% из них (451) склонны к внезапным выбросам угля и газа (только по выбросам опасны 176), 212 (43%) - к внезапным выбросам и обрушениям (высыпаниям) угля, 5 из них еще и к горным ударам; 42 шахтопласта (8,5%) - к выбросам и выдавливаниям (отжимам) угля и 21 (4,3%) - к выбросам и прорывам метана из почвы выработок. Из не подверженных внезапным выбросам шахтопластов пять - склонны к обрушениям, 19 - к горньм ударам и 17 - к прорывам метана .
В связи с тем, что одни и те же пласты опасны по газу и ГДЯ, вопрос о комплексном применении специальных мер, обеспечивающих безопасность труда при ведении горных работ, стоит особенно остро.
В многочисленных исследованиях, посвященных вопросу увлажнения угольных пластов выражается единая точка зрения о положительном влиянии нагнетае-мой жидкости на газодинамические проявления и снижение газовыделения при в-емке (разрушении) угля. Мнения расходятся во взглядах на режим (низко-, высоконапорное) и время (кратковременное, длительное) нагнетания.
Широкое распространение в свое время получили локальные способы борьбы с внезапными выбросами, основанные на искусственном изменении напряженно-деформированного состояния и газодинамического режима краевой части угольного пласта - гидроотжим призабойной зоны и нагнетание в режиме рыхления. В связи с возрастанием частоты внезапных выбросов в процессе гидроотжима от его исполь-зования в последнее время отказались.
С увеличением глубины и изменением фильтрационных характеристик пластов снижалась эффективность гидрорыхления, вследствие чего параметры его неоднократно корректировались для усиления воздействия на пласт за счет уменьшения длины скважин и повышения давления нагнетания. Возможности такого подхода ограничены с одной стороны техническими характеристиками оборудования, а с другой - негативными последствиями как при гидроотжиме пласта. Поэтому дальнейшее повышение эффективности и безопасности гидрорьгхления видится не в на-ращивании мощности воздействия на пласт жидкости, а в использовании более рациональных приемов и режимов нагнетания [I].
Низконапорное увлажнение как региональный способ воздействия на физическое состояние пласта (изменения его физико-механических и фильтрационных хaрактеристик) считался одним из наиболее перспективных направлений разработки и совершенствования способов изменения выбросоопасных свойств угля.
Существует мнение, что предварительное увлажнение как способ предотвращения ГДЯ, из-за низкой эффективности в условиях неразгруженных от горного давления угольных пластов и проблематичности бурения длинных скважин на выброосопасных пластах, зажатием бурового инструмента, не может получить промышленного применения. Учитывая при этом локальность проявления ГДЯ лишь в отдельных зонах, протяженность которых не более 5% от годового подвигания выработок и бесполезность обработки пластов вне этих зон, его не следует рассматри-вать как приоритетное направление. Предлагается прекращение увлажнения угольных пластов через длинные скважины как неэффективный, трудоемкий и небезопасный способ .
За последнее десятилетие в Донецком бассейне нагнетание жидкости в пласт отменено в 994 забоях [2].
Однако наряду с недостатками низконапорного увлажнения, существуют и определенные достоинства.
Представляется перспективным, управляя прочностью угля путем нагнетания в пласт водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ), формирование увлажненной зоны угольного массива, подготовленной для ведения технологических операций, в том числе и буровзрывных работ (БВР).
При таком режиме нагнетания:
- образуется дополнительная система микротрещин и происходит частичное вытеснение газа;
- появляется возможность микрокапиллярной изоляции газа в угле (вода, подаваемая под давлением, дает возможность части газа, свободного, покинуть крупные трещины и поры, то есть вытесняет его, а часть газа закупоривается в субмакропорах и микро-порах; в конечном счете, это приводит к снижению газопроницаемости пласта и уменьшает его способность выделять метан; газ, закупоренный в микропорах благодаря капил-лярным силам, теряет возможность покинуть их даже при мельчайшем разрушении; по-верхность микропор составляет свыше 97% общей поверхности пор, закупорка микропор означает изоляцию в них основного количества газа; увлажнение приводит к снижению газовыделения в очистных и подготовительных выработках из обнаженного и разрушенного угля);
- связывается пьшь, имеющаяся в пласте и пыль, образующаяся при разрушении угля - выемке и транспортировке (подавляются как крупные фракции пыли, так и респирабельные, размером менее 5 мкм, на которые приходится преобладающее количество пыли - 90-95%; весь процесс подавления пыли осуществляется путем смачивания и обволакивания пылинок жидкостью с ПАВ, что приводит к увеличению веса пылинок и склонности их к агрегации; увлажнение при разрушении угля не дает возможности образоваться "вторичной" пыли;
- изменяются механические свойства угля в сторону увеличения пластических и уменьшения прочностных характеристик (происходит перераспределение напряжений вокруг и впереди выработки, зона повышенных напряжений отодвигается в глубь массива) ;
- происходит адсорбционное понижение прочности между поверхностями трещин и растворение солей минеральных включений - обменная и молекулярная адсорбция. (Это приводит к ослаблению угольного пласта и уменьшает энергоемкость его выемки. Появляется возможность увеличить скорость подачи комбайна и улучшить режим его работы. Если на неувлажненном участке пиковые нагрузки двигателя комбайна превы-шают 180 кВт и нередко происходит опрокидывание двигателя, то при работе комбайна на участке, увлажненном раствором ПАВ, пиковые нагрузки почти не превышают 12 кВт, а на участке, увлажненном раствором хлористого натрия, их почти не наблюдается.
Уменьшение энергоемкости разрушения и увеличения скорости подачи комбайна приводят к меньшему измельчению угля, что сказывается на снижении пьшеобразования при разрушении и повышению его качества. Возрастает эффективность орошения, за счет повьппения общей влажности угля, гидрофилизации его поверхности. Это облегчает смачи-ваемость частиц пьши, образующихся при разрушении) [4].
В настоящее время вопросам расширения использования предварительного (низконапорного) увлажнения посвящено ряд исследований МакНИИ, ИГТМ НАН Украины, ДонФТИ НАН Украины, ДонГТУ .
МакНИИ установлено, что объем применения предварительного увлажнения угля в массиве может быть увеличен на 30-35% на шахтах Донбасса за счет предотвращения обрушения горного массива в зоне действия скважины (шпура) путем предварительного ее заполнения пенополиуританом. Эффективность увлажнения при этом повышается.
Увлажнения угля в массиве в гидроимпульсном режиме наряду с выполнением противовыбросных мероприятий позволит примерно в 9 раз увеличить удельный расход жидкости и в 2,5 раза снизить запыленность рудничного воздуха в рабочей зоне.
Разработанный МакНИИ и ИГТМ НАН Украины прибор контроля влажности угля (ПКВУ), на базе сверхвысоких частот, обеспечивает надежный (погрешность не более 15%) экспресс-контроль содержания влаги в угольном массиве при нагнетании жидкости в пласт .
В исследованиях ДонФТИ НАН Украины предварительная обработка угольного и породного массивов водными растворами ПАВ представляется как наиболее рациональное решение проблемы влияния зон повышенного горного давления при переходе их очистными забоями. Установлено, что после обработки краевой части водными растворами ПАВ снижается уровень концентрации напряжений и исчезает неравномерность их распределения, что приводит к однородному нагружению угольного пласта и уменьшает вероятность его разрушения .
В результате, проведенных в последние годы исследований ДонГТУ и Дон-ФТИ НАН Украины установлено, что предварительное увлажнение с использовани-ем ПАВ и поверхностных сред (ПС) угольных пластов служит эффективным средством борьбы не только с пылеобразованием и газовыделением, но и с проявлениями горного давления .
Исследованиями ДонГТУ на ряде шахт разработаны мероприятия по повыше-нию эффективности низконапорного увлажнения в зонах влияния горных выработок и очистных забоев.
Проведение увлажнения поэтапно при переменной длине скважин с использованием перемещения зоны максимума опорного давления (автонагнетания) позволяет существенно повысить эффективность влияния нагнетательных скважин (в 2-5 раз), увеличить приемистость скважин водой, снизить сопротивление скважин при нагнетании и увеличить фильтрационные характеристики угольного массива [б].
По нашему мнению, применение низконапорного увлажнения следует считать приоритетным направлением для борьбы с вредностями в шахтах. К ним следует от-нести изменение и управление газовыделением в очистных забоях и на их краевых участках, снижение пьшеобразования, снижение проявлений горного давления, пучения почвы в выработках, изменения физико-механических и коллекторских свойств угольного пласта, повышение безопасности и эффективности БВР.
Это позволит широко применять предварительное увлажнение как комплексную меру
борьбы с вредностями в шахтах как один из наиболее экономичных и технически приемлемых способов. Следует отметить возможность расширения области применения низконапорного нагнетания жидкости в пласт за счет упрочения массива специальными материалами, которые связывают горный массив, создавая эффективную герметизацию скважин .
Проблема проникновения водных растворов в угольный массив неразрывно связана с геомеханическими процессами, протекающими при ведении горных работ, уточнением механизма управления горным давлением как одной из первопричин опасных проявлений вредностей в шахтах.
К настоящему времени установлено существенное влияние изменений физико-механических свойств угля краевой части пласта (подверженном гидровоздействию) на напряженное состояние прилегающей к горной выработке части массива и характер механических процессов в массиве .
Положение максимума опорного давления от очистной выработки изменяется по отношению к ней в зависимости от уменьшения прочности увлажняемого угля. С уменьшением предела прочности угля (на сжатие) на 10%, максимум опорного давления перемещается от выработки вглубь массива на 12-14,2%. Происходит расширение зоны газового дренирования в краевой части угольного пласта, посредством поэтапной гидрообработки угля в этой зоне, при этом газовыделение на выемочном участке понижается на 15-25%. Снижается возможность вывалообразования и пучения почвы на сопряжениях лавы с выемочными выработками вследствии отнесения максимума скоростей конвергенции почвы и кровли выработки от сопряжения с ла-вой в сторону выработанного пространства. Уменьшается пьыеобразование на концевых участках очистного забоя.
При проведении подготовительных выработок сталкиваются с теми же трудностями, что и при очистной выемке (газовыделение и пылеобразование, проявления горного давления.)
Ведение буровзрывных работ в увлажненной зоне может привести к изменению параметров БВР и времени выполнения отдельных операций (в частности - время, отводимое на бурение шпуров). Снижение прочности углей, соответственно и их крепости, увлажнением может привести к уменьшению выделения ядовитых газов, и в комплексе с другими средствами это мероприятие позволит значительно снизить общее количество газов выделяющихся в атмосферу и пылеобразование, повысив при этом эффективность самого взрыва. Сократится расход режущего инструмента.
Однако отмеченные преимущества данного метода могут быть полностью реализованы лишь в случае, если все обработанные участки пласта будут увлажнены равномерно, что достигается бурением скважин и длительным поэтапным нагнетанием в них водных растворов ПАВ за пределами влияния горной выработки в зоне статического напряженного состояния, которое характеризуется относительно меньшей изменчивостью проницаемости угля. Необходимость выполнения этих тре-бований вытекает не только из теоретических соображений, но и подтверждается накопленным опытом работы о микрокапиллярному увлажнению выбросоопасных угольных пластов при проведении очистных и подготовительных выработок .
Соблюдение всех проектных значений параметров гидровоздействия (концентрации раствора ПАВ, длительности давления нагнетания и др.), а также при правильном пространственном расположении скважин, обеспечивающем равномерное и качественное увлажнение всего обрабатываемого угольного массива, может дать дополни-тельный эффект.Переход от узкого рассмотрения применения гидровоздействия, как способа борьбы с одним из негативных явлений в шахтах к комплексному, расширяя область применения низконапорного увлажнения, когда гидровоздействие влияет на основ-ной объект технологии - массив горных пород, дает возможность управлять не только свойствами массива, но и параметрами отдельных технологических процес-сов, обеспечивая тем самым эффективность и безопасность ведения горных работ.
Библиографический список
1. Бобров А.И., Агафонов А.В., Баличенко И.И., Тимофееев Э.И., Николин В.И. Состоя-ние и перспективы решения проблемы газодинамических явлений в шахтах. // Уголь Украины, фев-раль-март, 1997. - С. 9-13.
2. Кашуба О.И., Медведев Э.Н., Карпов Д.А. Пути увеличения объемов предварительного увлажения угольных пластов. // Уголь Украины, апрель, 1997. - С.40-42.
3. Медведев Б.И.,Артамонов В.Н., Николаев Е.Б. Совершенствование технологии ведения БВР в зонах гидровоздействия. // Известия Донецкого горного института. - Донецк: ДонГТУ, 2000-№2.-С.З-7.
4. Борьба с угольной пылью в высокопроизводительных забоях, изд-во "Наука" 1975. с 29-30.
5. Снижко В.Д., Недодаев Н.В., Питаленко Е.И., Ревва В.Н., Борисенко Э.В. Отработка угольных пластов в условиях влияния зон повышенного горного давления. // Уголь Украины, апрель, 1997.-С. 13-14.
6. Артамонов В.Н. Принципы поэтапного гидровоздействия на угольный пласт и эффектив-ность его применения в шахтах // Известия Донецкого горного института. - Донецк: ДонГТУ, 1997.-№2.-С.73-79.
7. Артамонов В.Н., Бондаренко А.Ю. О возможности управления технологическими свойст-вами угля увлажнением краевой части пласта // Известия Донецкого горного института. - Донецк:
ДонГТУ, 1995.-№ 1.-С.21-24