Главная > Библиотека

Формирование увлажненных зон на концевых участках лав для безопасного ведения горных работ.

Б.И.Медведев, В.Н.Артамонов, Е.Б.Николаев
Донецкий национальный технический университет

Источник: Вісті Гірничого інституту. – Донецьк: ДонНТУ. – 2003. – № 2. – с. 55-59.

              Проблема создания безопасных условий труда горнорабочих в угольных шахтах становится все более актуальной в условиях увеличения глубины разработки, горного давления и его проявлений, значительного пылегазовыделения при ведении горных работ, изменения температуры, давления и влажности на рабочих местах. Одним из основных комплексных мероприятий, позволяющих управлять процессом снижения проявлений вредностей в шахтах является увлажнение угольных пластов. Исследования по влиянию увлажнения на свойства угольного пласта проведены на ряде шахт Донбасса и их результаты позволяют определиться с некоторыми особенностями процесса гидронасыщения угля и разработать технологическую схему увлажнения с учетом динамики и изменения во времени свойств массива.
              Основная задача исследований заключалась в разработке технологической схемы низконапорного поэтапного гидровоздействия на краевых участках очистных забоев пологих угольных пластов.
              Для ее решения следует определится с описанием физико-механической модели проникновения водных растворов в угольный пласт. Проникновение увлажняющей жидкости в угольный пласт представляет собой сложный процесс взаимодействия жидкой, твердой и газовой сред. Аналитическое описание этого процесса, результатом которого могло бы быть определение его параметров затруднено из-за стохастического характера и естественной непостоянности распределения свойств угольного массива.
              С учетом этих особенностей угольного массива, как специфической фильтрующей среды, движение жидкости при ее нагнетании в скважины может быть представлено следующим образом. По наиболее крупным трещинам вода (водный раствор ПАВ) перемещается с относительно большей скоростью и, заполняя их более медленно проникает в угольные блоки, ограниченные крупными трещинами. Эти блоки, в свою очередь, разделены более мелкими трещинами на еще более мелкие блоки, и т.д. В самых мелких блоках объем фильтрующих трещин становится малым по сравнению с объемом пор. Проникновение воды в наиболее мелкие поры носит характер медленного капиллярного и дифузионного массопереноса. Движение воды на значительном расстоянии от скважины происходит по наиболее крупным трещинам, а влагонасыщение угольных блоков осуществляется за счет ее движения по мелким трещинам и порам [1]. Скорость насыщения блоков тем больше, чем выше давление воды в крупных трещинах на границах этих блоков. Угольное вещество представляет собой твердое пористое тело с удельной поверхностью 100…200 м2/г. вода имеет высокое поверхностное натяжение, равное 7,3 10-3 Дж/м2, что практически исключает глубокое ее проникновение в поровое пространство угольного вещества при наличии капиллярного давления противодействия. Для снижения поверхностного натяжения водного раствора до 1,5 10-3 Дж/м2 используется ПАВ [1], что способствует возрастанию скорости пропитки пористых тел. Нагнетание раствора ПАВ в зоны подверженные влиянию горных выработок, способствуют повышению коэффициента фильтрации жидкости в пласте. Это, в свою очередь, влияет на качество увлажнения и его равномерность, приводит к частичному выходу газа из примыкающей части пласта к горным выработкам и вытеснению его за зону максимального опорного давления за счет раскрытия трещин, максимальному использованию капиллярных сил при движении жидкости. При длительном увлажнении угольного пласта растворами ПАВ происходят существенные изменения прочностных свойств угля. Представленная общая качественная картина проникновения водных растворов в пласт, построенная исходя из структуры имеющихся в нем трещин и пор, усложняется дополнительным влиянием других специфических свойств угольного массива:
  • высокой сорбционной способности угля по отношению к воде и газу;
  • наличием в трещинах и порах метана в свободном состоянии, который может находиться под большим давлением;
  • фильтрационной анизотропией пласта;
  • достаточно высокой деформационной способностью угля.
    • Наличие в угольном пласте фильтрационной анизотропии приводит к тому, что вода, нагнетаемая через скважины, пробуренные в плоскости пласта, распространяется преимущественно по наслоению, проникая значительно медленнее и на меньшее расстояние перпендикулярно наслоению. Присутствие в угольном массиве газа создает препятствие движению воды по крупным трещинам. Это связано с противодавлением оттесняемого газа, величина которого равна пластовому газовому давлению. Поскольку уголь обладает сравнительно высокой деформационной способностью, то под действием давления воды фильтрующие трещины увеличивают раскрытие, повышая тем самым водопроницаемость угольного массива. Особенности, изложенные выше, позволяют предположить, что проницаемость угольного массива не является постоянной величиной. С увеличением давления нагнетания воды происходит следующее: возрастает раскрытие наиболее крупных трещин за счет деформации сжатия угля и увеличивается скорость движения воды в фильтрующих каналах; в движение вовлекаются поверхностные слои адсорбированной воды, что приводит к повышению фильтрующего объема этих каналов; газовые пузырьки сжимаются, вытягиваются и передвигаются, освобождая тем самым более крупные каналы или частично снижая гидродинамическое сопротивление этих более крупных каналов. Все перечисленные эффекты, имеющие место при увеличении давления воды, изменяют фильтрационные свойства угольного массива в одном направлении – повышают его водопроницаемость. Таким образом, водопроницаемость, а, следовательно, и коэффициент фильтрации воды в угле, должна быть возрастающей функцией от давления нагнетания воды. Закон фильтрации жидкости в угольном массиве считают квазилинейным, полагая, что скорость фильтрации зависит линейно от градиента давления воды, а проницаемость (и коэффициент фильтрации), в свою очередь, является функцией этого давления [1]. Учитывая многообразие факторов, влияющих на эффективность увлажнения и взаимозависимость некоторых из них, следует пересмотреть наши представления о неизменности параметров увлажнения и геометрии скважин во времени, сформировать новые принципы технологии увлажнения, позволяющие повысить эффективность его применения [2].
              Для выполнения поставленной цели необходимо разработать достаточно точное физико-механическое описание процесса увлажнения и получить расчетные зависимости, связывающие искомые параметры и гидравлические параметры пласта с учетом динамики горного давления в зоне влияния горных выработок. Для этого следует проанализировать, в какой мере эти задачи были решены проведенными ранее исследованиями и наметить пути перехода к решению подобных задач.
              Исследованиями, проведенными в ДонНТУ, установлено, что процесс гидровоздействия необходимо рассматривать в динамике и наиболее существенное отличие предлагаемых принципов увлажнения заключается в том, что учитывается изменение размеров и расположение скважин в зависимости от формирования и перемещения максимума опорного давления, в свою очередь, определяемого направленным изменением физико-механических и компрессионных свойств [2]. Процесс влагонасыщения угля рассматривается во времени и включает поэтапное гидровоздействие на массив [3].
              На основании представлений о процессе проникновения водных растворов ПАВ-ПС в массив угля и перераспределения горного давления в зависимости от изменения прочностных характеристик угля, предлагается физико-механическая модель увлажнения краевой части угольного массива на концевом участке лавы, которая включает в себя следующие положения:
    1. Увлажняемый массив рассматривается как неоднородное пористое газонасыщенное тело, подвергнутое влиянию как очистной, так и подготовительной выработок.
    В результате увлажнения формируются следующие зоны увлажнения:
    Зона I – зона, непосредственно примыкающая к подготовительной выработке. В этом случае водный раствор ПАВ, попадая в нее по максимально открытым трещинам двигается по кратчайшему пути в направлении обнаженной поверхности пласта в горной выработке. Эффект смачивания поверхности этих трещин максимален, как и действие эффекта адсорбционного понижения поверхностной прочности, за счет клинового эффекта.
    Зона II - зона максимального сжатия пласта (κγΗ) и минимального проникновения водного раствора ПАВ, но достаточного для увлажнения угля, даже при rmin= 0,5м; при изменении прочностных свойств угля эта зона может перемещается в массиве.
    Зона III - зона объемного всестороннего сжатия угольного пласта и распространения водного раствора ПАВ при дополнительном использовании перемещающегося горного давления.
    2. При проведении увлажнения необходимо учитывать изменение прочностных свойств угля и осуществлять корректировку параметров увлажнения: lг, lскв, lф, Сэфи др., что позволит более качественно обработать краевую часть угольного пласта, примыкающего к подготовительной выработке. Так, если фильтрующая часть увлажняющей скважины расположена перед зоной максимума опорного давления (зона I), нагнетание приведет к вытеснению газа в горную выработку и повышенной вероятности прорыва в них растворов. При ее расположении за указанной зоной (зоны II, III),газ перемещается в глубь массива, скважина работает до тех пор, пока не произойдет влагонасыщение массива и максимум опорного давления не сместится в массив. Если не изменить параметры скважин (общую длину, длину герметизации, длину фильтрующей части), то произойдет выдавливание водного раствора в горную выработку и скважина приходит в нерабочее состояние.
              На основании представлений о физико-механической модели процесса проникновения водных растворов ПАВ-ПС в массив угля и перераспределения горного давления в зависимости от изменения прочностных характеристик угля, можно разработать технологическую схему поэтапного увлажнения угольного массива, находящегося в зоне влияния горных выработок. Учет и использование эффекта геомеханических и фильтрационных процессов при гидрообработке краевой части угольного пласта способствует снижению выделений метана, ядовитых газов и пыли, образующихся при БВР в этих зонах, достижению соблюдения санитарно-гигиенических норм ПДК вредных газов и пыли, создаст безопасные условия труда для горнорабочих.

    Перечень ссылок

    1. Чернов О.И, Черкасов В.С., О квазилинейном законе фильтрации воды в угле по данным лабораторных исследований. – В кн.: Безопасность работ в угольных шахтах. Труды ВостНИИ, т 13. М., Недра, 1970, с. 87-92
    2. Артамонов В.Н. Принципы поэтапного гидровоздействия на угольный пласт и эффективность его применения в шахтах // Известия Донецкого горного института. 1997, №2, с. 73 –79.
    3. АртамоновВ.Н., БондаренкоА.Ю. О возможности управления технологическими свойствами угля увлажнением краевой части пласта // Известия Донецкого горного института. - Донецк: ДонГТУ 1995. № 1. – с.21-24
    4. Чистюхин В.В, Почтаренко Н.С Пористость угля и дисперсный состав угольной пыли // Разработка месторождений полезных ископаемых: Респ.межвед. науч-техн.сб.– 1992. – вып. 92. – С. 87-92.