Николаев Е.Б., Артамонов В.Н.(ДонНТУ).

         Известия Донецкого горного института.- Донецк: ДонГТУ. 1999. №2. - с. 44-47

Определены основные параметры гидровоздействия и возможность их корректировки в зонах БВР с целью повышения эффективности БВР.

При ведении очистных и подготовительных работ обязательной частью технологического процесса является отделение угля и горной породы от массива. Для этого необходимо затратить определенную энергию, что достигает приминением взрывчатых веществ и взрывчатых материалов. Ведение буровзрывных работ (БВР) включает бурение, заряжания, взрывание, проветривание. В шахтах, опасных по взрыву газа или пыли, к взрывным работам предъявляются дополнительные требования, исключающие возможность взрыва метена и угольной пыли.

Одним из основных способов снижения газовыделения и пылеобразования за счет изменения свойств углей и пород служит гидрооздействие с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ) и поверхностных средств (ПС), действие которых основано на адсорбационном понижении поверхностной энергии твердых тел [1]. Изменение прочностны, упругих компрессионных характеристик угля и пород под действием растворов ПАВ – ПС позволяет не только прогнозировать, но и управлять параметрами отдельных технологических процессов, в том числе и БВР.

Правильный выбор параметров предварительного увлажнения угля в массиве обеспечивает эффективность этого мероприятия. К основным параметрам гидровоздействия относятся: давление нагнетания P , Па; удельный расход жидкости (водного раствора ПАВ) q , м3/т; Общий расход жидкости Qскв, м3; время нагнетания tн, с; темпы нагнетания qн, кг/с; длина скважины lскв, м; длина герметизации lг, м; длина фильтрирующей части lф, м; расстояние между скважинами а,м; проницаемость угля – k; радиус влияния скважины t, м и др.

Определение параметров увлажнения это особый вопрос и многие исследователи подходят к его решению неоднозначно.

Давление нагнетания. В соответствии с осуществляющими нормативными документами давление нагнетания определяется верхним (Pмакс) и нижним (Pмин) пределами. Верхний предел ограничивается геостатическим давлением, превышение которго приведет к разрыву сплошности пласта. Минимальный же предел давления ни какими методиками и руководствами не регламентируется, хотя он и очень важен для начала проникновения жидкости в пласт, преодолевая сопротивление находящегося в порах газа и сжимаемого в процессе увлажнения. В произведенной работе не просматривается высоконапорное нагнетание при давлениях, повышающих геостатическое.

Работами МГИ в достаточной степени рассмотрены эти вопросы и даны по ним соответствующие рекомендации [2].

По мнению многих авторов пр давлениях меньших, чем Pмин , определенное Медведевым Б.И. в 1963 г., учитывающих газоноснсть угля его пористость и давление газа, увлажнение будет неэффективным, и полного влагонасыщения массива угля не происходит.

Зависимость Б.И. Медведева выражается формулой:

Pмин = 0,6 • ( ( -b + ( b2 – 4 • a • xг ) ^1/2 ) / a ),

где a и b – коэффифиенты, учитывающие пористость угля, его газоносность, температуру, степень метаморфизма, относительный объем и поверхность пор, заполненных водой.

Удельный расход жидкости. Исследованиями МакНИИ установлено, что увеличение эффективности увлажнения достигается за счет приращения влаги DW более 15% (при удельном расходе воды более 0,015 м3/т), а максимальный эффект – 75% получается при удельном расходе воды более 0,04 м3/т. Дальнейшее увеличение удельного расхода воды не приводит к увеличению эффективности увлажнения. Исходя из этого, приходим к выводу, что при высоконапорном увлажнении удельный расход жидкости должен быть не менее 0,04 м3/т. По различным источникам влагонасыщение угольного пласта должно производиться до величины 0,07-0,08 м3/т.

Учитывая [3] приходим к выводу, что рекомендуемые МакНИИ и «Руководством по борьбе с пылью» величины удельного расхода жидкости не смогут обеспечить масимальную эффективность увлажнения. Так как приращение содержания влаги в угле зависит от его пористости, то при определении удельного расхода жидкость необходимо учитывать метаморфизм угля. При расчете удельного расхода жидкости по методике ДПИ при микрокапилярном увлажнении [4, 5] эта зависимость определяется по формуле:

q = 0,5 • x • Кб • x • Кн • x • Vпо

где 0,5 – коэффициент, учитывающий сжатие угля в массиве; Кб и Кн – коэффициенты, учитывающие уход части жидкости в боковые породы и неравномерность увлажнения угольного массива; Vпо – объем пор в угле, который может быть заполнен жидкостью.

Предложенная зависимость не совсем точно учитывает сжатие угля в массиве так, по данным В. В. Ходота [6] пористость с увеличением нагрузки уменьшается и описвается уравнением:

Кс = Ко • exp ( - ad),

Где Ко – пористость не сжатого угля, м3/г; a – эмпирическая константа; d – нагрузка, Н.

Основываясь на заключении В. В. Ходота о данных по полной и дифференциальной приростости и утверждая, что объем пор различного диаметра сохраняется постоянным для углей различных марок Б. И. Медведевым, К. В. Корепановым и И. Ф. Морозовым был определен объеи по Vп ( макропоры, переходные поры и 10% микропор). Он составляет 0,52 м3/т для углей марки Ж и 0,096 м3/т для антроцитов. Это подтверждает постулат – эффективно увлажнение лишь тогда, когда жидкость доходит до микропор [7].

Продолжительность нагнетания. Процесс проникновения воды в массив угля это процесс многостадийный. Он включает в себя три стадии: заполнение трещин, капиллярное проникновение воды в микропоры и диффузия. Эти процессы даже при высоких давлениях протекают очень медленно, и фактор времени в этом случае оказывает существенное влияние на эффективность увлажнения. Так при малом времени гидровоздействия на угольный пласт обрабатывается лишь малая часть крупных трещин и пор, что не приводит к существенному приросту влажности угля. Данные МакНИИ подтверждают, что процесс капиллярного увладнения угля протекает не менее 150 часов [3], по данным физико-технического института АУ от 5 до 25 суток [8], а при гидрорасчленении с поверхности от нескольких месяцев до года [3].

Широкие исследования были проведены по оценке эффективности применения увлажнения, продолжительности проникновения рабочей жидкости в поры угля, как сприминением поверхностно-активных веществ, так и без них [4, 5, 7]. Опыты показали, что процесс проникновения воды в уголь интенсифицируется в течении 7-15 суток, после чего замедляется и при 45-50 сутках практически прекращает [9]. Необходимо отметить, что как процесс проникновения воды замедляется с уменьшением диаметра пор и требует большого расхода энергии на продавливание жидкости в поры, заполненные газом. Установлено, что для максиамльного заполнения порового пространства угля при микрокапилярном увлажнении, длительность нагнетания составляет 540 часов. Что подтверждается многими исследованиями на высокогазоносных углях Донецкого-Макеевского района [4, 8].

Время нагнетания с учетом количества жидкости Qскв и темпа нагнетания qн составит :

t = Qскв / qн

Общий объем жидкости, который необходимо подать в скважину, зависит от объема увлажняемого угля и удельного расхода жидкости.

Qскв = 2 • rф • ( lскв + rф) • mпл • r • q,

Где rф – радиус увладнения при данных параметрах увлажнения, м; lск – длина скважин для увлажнения, м; mпл – мощность пласта , м; q – удельный расход жидкости при увлажнении, м3/т; r – плотность угля, т/м3.

Необходимо учитывать, что зона увлажнения по длине зависит от длины скважины и не может быть больше, чем длина лавы:

lскв + rф < lл

Исследованиями[10] утверждается, что радиус фильтрации может быть определен по В. П. Журавлеву:

r у =( ( kо • t • Pс) / ( rж • g • nэ))^1/2

по Г. Бауэру:

rу = 2 • Kф • m • lф • (Pс – Pк) / qн

где Kф - коэффициент фильтрации пласта; Pс и Pк – давление воды в скважине и на контуре увлажнения, Па; rж – плотность нагнетаемой жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; nэ – эффективная пористость пласта; lф - длина фильтрирующей части скважины, м; qн – темп нагнетания, кг/с.

Изменением плотноти воды при добавках ПАВ можно пренебречь и получить:

Тогда

r у = 0,01 • ( (kф • tн • Pс) / nэ ) ^1/2

Данные зависимости позволяют получить очень большое расположение при определении численного значения r у . Оно изменяется от 7 до 30 м

Учитывая, что при существующих насосах поддерживать давление нагнетания и темп нагнетания весьма затруднительно, то данные зависимости применимы лишь при малых давлениях, т.е. при низконапорном увлажнении.

С учетом коэффициента фильтрации kф и эффективной пористости пласта nэ исходя из условий прямолинейно-параллельного фильтрационного потока жидкости для увлажнения пластов средней мощности через длинные скважины можно получить следующую формулу для определения времени нагнетания.

tп = 2 • nэ • rу • m • lф / qн

Такой режим нагнетания быстро приводит к росту давления и достижение его максимального значения Pмакс в то же время количество жидкости, поданное в пласт, явно еще не достаточно. Этот момент достигается через время:

tмакс = ( (Pмакс •l b0 +1) / (a0 • qн b0+1) ) ^1/b0

где a0 и b0 – эмпирические коэффициенты, входящие в уравнение зависимости удельного гидравлического сопротивления пласта rуд от количества жидкости Qt , подаваемого в скважину на каждый метр длины фильтрующей части.

Рассматривая выше изложенное, приходим к выводу, что качество увлажнения зависит от правильно подобранных параметров, при этом достигается снижение прочности угля в зоне увлажнения. Это существенно влияет на параметры БВР и требует учета при расчете паспорта БВР.