Главная > Библиотека

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЕДЕНИЯ БВР В ЗОНАХ ГИДРОВОЗДЕЙСТВИЯ

Авторы:Б.И.МЕДВЕДЕВ, В.Н.АРТАМОНОВ.
Донецкий национальный технический университет

Источник: Известия Донецкого горного института. – Донецк: ДонГТУ, 2000 №2., – с.3–7.

Предложены пути совершенствования технологических схем ведения БВР с учетом комплексного подхода к решению проблемы управления параметрами и свойствами массива угля при гидровоздействии.
              Буровзрывные работы (БВР) – один из основных способов разрушения пород при разработке месторождений полезных ископаемых. На шахтах Донбасса этим способом проводится около 70% всех основных и нарезных выработок. БВР занимают 20-30%, а при проведении выработок по крепким породам – 40-60% времени общей продолжительности проходческого цикла.
              При проведении выработок по газоносным пластам, подверженным внезапным выбросам угля и газа, взрывная отбойка угля является одним из доминирующих факторов, ускоряющим переход пластов в категорию выбросоопасных. Взрывные работы провоцируют выбросы   угля и газа,  которые  создают аварийные ситуации  и ухудшают технико-экономические показатели ведения горных работ. После отбойки угля в призабойной зоне  могут сохраняться высокие напряжения и газоносность. Это нередко является причиной возникновения внезапных выбросов при воздействии на пласт машинами, механизмами, ручным инструментом. Поэтому возникает необходимость в совершенствовании технологии взрывных работ, чтобы обеспечить наряду с эффективной отбойкой угля и породы, снижение напряжений, а также газоносности и пылегазообразования в призабойной зоне создать безопасные условия выполнения технологических процессов, уменьшить частоту  и силу выбросов угля и газа. В большинстве случаев это решается за счет изменения технологических параметров БВР – паспорта БВР и т.д.(1) и не принимается  во внимание возможность изменения свойств среды – массива угля и породы для улучшения их технологических характеристик. Данный факт был выявлен в многочисленных работах, посвященных гидровоздействию на угольный пласт как мероприятию по борьбе с газодинамическими явлениями (ГДЯ). (2,3). Особенно привлекательным представляется снижение прочности углей, соответственно и их крепости, увлажнением угля путем нагнетания в пласт водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ). (4). Наведенная влажность является одним из показателей, по которым определяются прочностные характеристики углей и, соответственно рассчитываются параметры БВР. Увлажнение существенно влияет на газовость ВВ, изменяя его газовый баланс, приводит к уменьшению выделения ядовитых газов. Увеличение влажности угля и пород в процессе БВР не только снижает количество образующейся пыли,  но и уменьшает ее пневмокониозоопасность (3,5). В зонах гидровоздействия за счет изменения механических свойств угля в сторону увеличения пластических и уменьшения прочностных характеристик происходит перераспределение напряжений вокруг и впереди выработки. Зона повышенных напряжений отодвигается вглубь массива.
              Изменение прочностных показателей  угля происходит за счет насыщения водным раствором ПАВ макро- и микропор угольного массива. Низконапорное увлажнение не дает эффекта гидроразрыва, что позволяет активно использовать гидравлическую систему каналов пористого строения угля. Эффект насыщения существенно повышается при использовании оптимальных добавок поверхностно-активных веществ, применяемых в шахтах.
              Зона увлажнения при подаче водного раствора ПАВ через одну скважину существенно увеличивается, т.к. активно используются капиллярные силы. Большое значение играет временной фактор – длительное влагонасыщение в отличие от гидроразрыва, когда вода по образовавшимся трещинам движется к груди забоя и приводит к минимальному влагонасыщению угля.
              Основываясь на  возможности управления прочностью угля путем подачи определенного количества воды, можно формировать зону угольного массива, подготовленную для ведения технологических операций в т.ч. и БВР. В этом  случае происходит изменение влажности массива, а значит и прочности, соответственно изменяются параметры и время бурения шпуров, расход резцов и т.д. (6) При взрывании ВВ повышается эффективность взрыва, уменьшается количество выделяемых газов, снижается пылеобразование.
              Среди наиболее распространенных способов гидровоздействия различают:
  • кратковременное высоконапорное нагнетание (гидроотжим, гидрорыхление);
  • длительное низконапорное нагнетание (микрокапиллярное увлажнение).

    •               Таким образом, в основе обоих способов предотвращения выбросов лежит процесс нагнетания воды в угольный пласт, отличающийся лишь параметрами - давлением и временем нагнетания.
                  Использование кратковременного высоконапорного нагнетания воды в пласт основано на предположении, что вода, проникающая под давлением в угольный массив, увеличивает пластичность угля, снижает удельную энергию, накопленную углем при сжатии, вытесняет часть газа и приводит к перераспределению напряжений в призабойной зоне. В результате  этих изменений изменяются и выбросоопасные  свойства угольного пласта. Работы, проведенные в этом направлении (7,8), позволяют сделать вывод, что при кратковременном высоконапорном нагнетании вода не проникает в микропоры угля, а перемещается по крупным трещинам, в особенности это относится к участкам повышенных напряжений. Если учесть, что в выбросоопасных зонах ширина области предельных напряжений может изменяться от 0,5 до 2 м, то при глубине герметизации скважины 6 м это мероприятие, как способ   предотвращения внезапных выбросов является малоэффективным.
                  Низконапорное  увлажнение в отличии от высоконапорного направлено не на разрушение обрабатываемого угля, а на нейтрализацию заключенного в нем газа и изменению прочностных свойств угля. Это достигается путем длительного нагнетания воды с добавками поверхностно-активных веществ, улучшающих смачиваемость угля и позволяющих максимально использовать капиллярные силы, которые возникают при проникновении раствора в тонкопористую структуру угля.
                  Исследованиями кафедры «Рудничная вентиляция» ДПИ  (ныне «Аэрология и экология» ДонГТУ ), а также рядом других  организаций (2,3,7) установлено, что при указанном режиме нагнетания происходит частичное вытеснение газа из трещин массива и наблюдается блокирование его в микропорах угля, поскольку вода, если капиллярное давление превышает давление газа, является для последнего, практически непроницаемой средой. В результате скорость газоотдачи обработанного таким образом угля резко снижается, а, следовательно, уменьшается и возможность участия его в газодинамических явлениях. Кроме того, увлажненный уголь имеет меньшую прочность  и реологические процессы протекают в нем значительно быстрее, чем в сухом угле. Это означает, что в одних и тех же условиях на увлажненном участке пласта зона предельных напряжений будет шире и соответственно уменьшится градиент давления газа впереди выработки. Однако отмеченные преимущества данного метода могут быть полностью реализованы  лишь в том случае, если весь обрабатываемый участок пласта будет увлажнен равномерно, что достигается бурением скважин и длительным нагнетанием в них воды за пределами влияния горной выработки в зоне статического напряженного состояния, которая характеризуется относительно меньшей изменчивостью проницаемости угля. Кроме этого необходимо также обеспечить и равномерное увлажнение пласта по всей его мощности, что при наличии пропластков  достичь очень проблематично. Необходимость выполнения этих требований вытекает не только из теоретических соображений, но и подтверждается накопленным опытом работ по микрокапиллярному увлажнению выбросоопасных угольных пластов.
                  На шахте № 21-бис п/о «Макеевуголь» микрокапиллярное  увлажнение производилось на двух участках пласта    Берестовский в зонах проведения вентиляционного штрека 1-й восточной лавы и 5-го конвейерного штрека Данный пласт характеризовался сложным строением, которое в пределах шахтного поля изменялось в широких пределах.
                  Основанием для выбора штреков в качестве объектов исследований послужило то обстоятельство, что все выбросы на шахте – более 60 случаев, из них более 50 – после сотрясательных взрываний, происходили в подготовительных выработках. В очистных забоях имели место лишь внезапные отжимы угля. О высокой газодинамической активности экспериментальных участков можно судить хотя бы потому, что при проведении 1-го восточного вентиляционного и 5-го конвейерного штреков с помощью сотрясательных взрываний  зарегистрировано соответственно 10 и 14 выбросов угля и газа. При  внезапных выбросах образовывались полости высотой около 2 м, объемом более 100 куб.м. В таких условиях дальнейшее проведение штреков оказывалось практически невозможным. В связи с этим было принято решение осуществить длительное увлажнение пласта в зоне проведения выработок с целью предотвращения внезапных выбросов.
                  Увлажнение угля в зоне проведения вентиляционного штрека производилось через скважины диаметром 76 мм, пробуренные из 5-го конвейерного штрека, расположенного выше по падению пласта на расстоянии 50 м. Длина скважин 56 м. Всего было пробурено 6 скважин. Первая - на расстоянии 30 м от линии забоя вентиляционного штрека с таким расчетом, чтобы длительность нагнетания воды в пласт была не менее 30 суток, последующие – через 15 м  (рис 1а).
                  В зоне проведения 5-го конвейерного штрека увлажнение угольного массива осуществлялось через 3 скважины, пробуренные по оси выработки со стороны забоя, остановленного из-за высокой газодинамической активности пласта (до этого при продвигании штрека на 240 м зарегистрировано 11 выбросов угля и газа). Длина скважин: 19, 32 и 72 м; глубина герметизации – 17 м (рис 1б).
                  Определение основных расчетных параметров нагнетания выполнялось в соответствии с «Временной инструкцией по применению микрокапиллярного увлажнения». Согласно выполненным расчетам минимальное давление нагнетания составило 12,6МПа, а максимально допустимое – 20,0 МПа.
                  Для контроля эффективности увлажнения при проведении штреков в увлажненной зоне и за ее пределами из каждой пачки пласта через 1 м продвигания забоя выработки отбирались пробы угля для определения его влажности. Установлено, что  естественная влажность угля в необработанных зонах колебалась в пределах 0,5-1,3 %. Влажность угля после нагнетания в него воды с оптимальной добавкой ПАВ (0,01% ДБ) составила 1,5-6,8%.
                  Сопоставление объема закачанной жидкости, давления нагнетания и влажности угля по каждой скважине показал, что эффект увлажнения достигался только в том случае, когда давление нагнетания соответствовало проектному значению. При меньших его значениях процесс нагнетания был малоэффективным. Об этом свидетельствуют 3 случая выбросов угля и газа, происшедших в зоне скважины № 2, где не удалось обеспечить необходимого качества герметизации и расчетного давления нагнетания. В остальных обработанных зонах при выемке угля отсутствовали какие-либо признаки газодинамических явлений, хотя они имели место во время бурения нагнетательных скважин (зажатие бурового инструмента, удары и выстрелы в массиве). В дальнейшем при выходе штреков за границы распространения влаги, установленные на основании замеров влажности угля, случаи выбросов угля и газа  после производства взрывных работ возобновились.
                  Увлажнение угольного массива  приводит к изменению некоторых горно-технологических факторов, оказывающих существенное влияние на технологию подготовительных работ.
                  Так, в увлажненной зоне отброс угля при взрывных работах составил 10–12 м, в неувлажненной – 15–17 м.
                  Наглядно  видна роль увлажнения при анализе изменения сечения выработки вчерне в обработанной и необработанной зонах. В увлажненной зоне существенное превышение фактического сечения выработки вчерне над проектным, отмечено в редких случаях, в неувлажненной зоне это превышение почти на всем протяжении выработки составило 1 кв. м. и более. Особенно сильно на увеличение сечения выработки вчерне в неувлажненной зоне сказалась повышенная выбросоопасность экспериментального участка. По существу, на отдельных участках происходили непрерывные выбросы угля и газа, интенсивностью до 10–15 т. Это обстоятельство, а также имевшее место значительное газовыделение после взрывных работ  наиболее сильно сказались на темпах проведения выработок.
                  Применение низконапорного увлажнения угольного пласта, при соблюдении проектных значений концентрации раствора, длительности и давления нагнетания, а также при правильном пространственном расположении скважин, обеспечивающем равномерное и качественное увлажнение всего обрабатываемого угольного массива, может дать эффект снижения выбросоопасности .(9)
                  Таким образом, основной задачей выступает необходимость предварительной подготовки угольного массива – снижение прочности угля, соответственно и его крепости - в зонах ведения БВР путем гидровоздействия.
                  На основании вышеизложенного можно сделать следующий вывод –  в основу совершенствования технологии взрывных работ должен быть положен комплексный подход, основанный на управлении как параметрами БВР, так и свойствами угольного массива.
                  Ведение взрывных работ следует рассматривать как систему – совокупности процессов, объединенных чрезвычайно сложным взаимодействием среды и ВВ, имеющих взаимную зависимость. Анализ этой системы обеспечит удовлетворение поставленных требований (5).

    Библиографический список

    1. Толстых К.С., Стикачев В.И., Чуйков Н.А., Зубков П.Н. Пути снижения взрывов и вспышек метана и угольной пыли при взрывных работах в угольных шахтах. В сб. «Снижение травматизма при взрывных работах в угольных шахтах.» – МакНИИ.,1985. – с. 11-17
    2. Чернов О.И., Розанцев Е.С. Подготовка шахтных полей с выбросоопасными пластами. – М.: Недра, 1975,- 287 с.
    3. Медведев Б.И., Морозов И.Ф.,Зехов В.Ф. и др. Нагнетание воды в угольные пласты как средство борьбы с пылью и газом. – К.: Техника, 1968. – с.92
    4. А.Д.Алексеев, Г.П.Стариков, М.Ф.Малюга, О.С.Аносов. Обработка выбросоопасных пластов водными растворами ПАВ – К.: Техника, 1988. – с.86.
    5. Ярембаш И.Ф.  Очистка рудничной атмосферы после  взрывных работ.– М.,Недра, 1979. – 191с.
    6. Артамонов В.Н., Николаев Е.Б. Разработка параметров гидровоздействия в зонах ведения БВР с целью повышения их эффективности. // Известия Донецкого горного института. – Донецк. 1999. – №2, с.44-47
    7. Канин  В.А., Артамонов В.Н. О двух режимах нагнетания воды в угольный пласт для снижения выбросоопасности. В сб.: «Разработка месторождений полезных ископаемых». – Киев, 1980. – вып. 56, с.23–28.
    8. Отчет по НИР: Внедрение и совершенствование микрокапиллярного увлажнения как средства борьбы с внезапными выбросами угля и газа на пласте «Берестовский» шахты №21-бис п/о «Макеевуголь».– Донецк .1975. – 81с.
    9. Артамонов В.Н. Принципы поэтапного гидровоздействия на угольный пласт и эффективность его примененения в шахтах // Известия Донецкого горного института. – Донецк. 1997. - №2(6), с.73-79