В современных условиях, когда горные работы ведутся на больших глубинах и связаны с существенным ростом газовыделения, пылеобразования и наличием большого числа пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа, возникла необходимость управления или снижения проявления этих вредностей в шахтах. Большинство из применяемых на шахтах Донбасса мероприятий весьма трудоемки, с малым сроком действия и не позволяют совмещать во времени выполнение этих мероприятий с выемкой угля.

Метод предварительной гидрообработки угольных пластов через сеть скважин широко применяется на шахтах и является эффективным способом уменьшения проявления вредностей в шахтах [1, 2].

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные Донецким национальным техническим университетом (ДПИ) в течении ряда лет в лабораторных условиях и на шахтах, показали, что при определенных условиях обработки угольных пластов водой можно достичь такого увлажнения, когда води проникает к микропорам и это приводит к максимальному эффекту гидровоздействия [2]. При этом существенно снижается проявление вредностей при разработке угольных пластов снижается газовыделение, уменьшается пылеобразование, происходит перераспределение горного давления и изменяют! и выбросоопасные свойства угля [3].

Для обеспечения эффективного гидровоздействия и конкретных условиях каждого угольного пласта должны быть определены: оптимальная добавка ПАВ к нагнетаемой пит давление нагнетания, количество воды, которое должно подаваться в угольный пласт. Кроме этого, должны быть оценены фильтрационные свойства пласта и выбрано оборудование для осуществления нагнетания.

Длительное увлажнение через сеть скважин приводит к более равномерной обработке массива ПС. Общая продолжительность нагнетания должна составлять 250–500 часов. За это время жидкость под давлением, не превышающем гостатическое, проникает в микропоры, изолирует или частично вытесняет заключающийся в них газ и изменяет физико-механические свойства угля, что дает возможность избавиться от неравномерности распределения напряжений в угольном пласте, лишает возможности газ участвовать в развязывании внезапного выброса и отбрасывании разрушенного угля из забоя.

Смачивание поверхностей естественных пластовых трещин и материнской пыли приводит к значительному уменьшению пылеобразования при дальнейшей добыче угля и резкому повышению качества увлажнения [2,4].

Изоляция газа в угле достигается тем легче, чем меньше газоносность пласта. При наличии высокой газоносности угольного пласта целесообразна частичная дегазация, предшествующая увлажнению. Интенсификация такой дегазации может быть достигнута путем одного-двух сравнительно кратковременных (1–2 суток) нагнетания раствора ПАВ с последующими перерывами до 10 суток. После такой предварительной частичной дегазации производится основная часть работ по увлажнению пласта. В соответствии с «Временной инструкцией по применению микрокапиллярного увлажнения» и Методикой проведения работ были определены основные параметры увлажнения для 56 угольных пластов Донбасса. В этот перечень входят и угольные пласты шахт производственных объединений «Артемуголь», «Орджоникидзеуголь», «Дзержинскуголь». В качестве объекта исследования принят угольный пласт m5 «Куцый» (шахта «Красный Профитерн» и им. «Карла Маркса»). Разработанные проекты ведения работ по увлажнению включали следующие разделы:

• общая геологическая и горно-техническая характеристика экспериментальных участков;
• расположение нагнетательных скважин, способы их бурения и герметизации;
• определение параметров увлажнения и оборудование для его осуществления;
• технология ведения работ по увлажнению; контроль эффективности увлажнения (в т.ч. контроль за состоянием пласта до и после увлажнения);

Mеры безопасности при ведении гидровоздействия. Особое место в шахтных исследованиях отводилось проведению комплекса работ по замерам динамики газовыделения, влажности, динамической прочности угля до ведения работ по увлажнению и после него.

Региональная отработка пласта ms–«Куцый» в режиме низконапорного увлажнения производилась через сеть скважин диаметром 120 мм, пробуренных с откаточного штрека по восстанию пласта. Длина скважин была принята–50 м на основании того, что 50–метровая зона в верхней части дегазирована и является безопасной в отношении выбросов. Расчетная длина скважин была принята 1Р=80 м. Как видно из рис. 1, скважины № 4, № 5, № 6 были пробурены длиной 90 м, а скважина № 2 – длиной 96 м. Что касается скважин №1 и №3, то их на расчетную длину пробурить не удалось по техническим причинам. Герметизация скважин осуществлялась цементно-песчаным раствором на глубину 15 м. Увлажнение производилось по технологической схеме, предусмотренной проектом. Добавка ПАВ к воде составила 0,01%, давление нагнетания–до 150 кг/см² общее количество раствора, поданного в скважины, колебалось от 39 м³ до 60 м³. После обработки экспериментальных данных по скважине №5 была получена эмпирическая зависимость удельного гидравлического сопротивления пласта ms–«Куцый» от количества закачиваемой жидкости на 1 п.м. фильтрующей части скважины: r = 77,9–l0 * Q5; кгс/мч. Результаты измерения динамики газовыделения до и после проведения работ по увлажнению показали его существенное снижение. Состояние пласта при бурении контрольных скважин – спокойное, хотя в неувлажненной зоне отмечены удары и толчки в массиве при их бурении, поведение пласта в этом случае характеризовалось как непокойное. Проведение параллельно с замерами динамики газовыделения замеров выхода буровой мелочи при бурении прогнозных скважин подтвердило эти исследования. Представленное на рис. 2 изменение показателей динамики газовыделения в различных зонах иллюстрирует это. Максимальный выход штыба в необработанной зоне составил 5,8...6,4 л/м, показатель опасности зоны RA = 8,1...9,3, а величина зоны разгрузки составила 1Р = 1,0 м. Результаты определения зоны разгрузки в увлажненной зоне позволили сделать вывод о том, что она равна 1Р = 3,0 м, как при измерении по динамике газовыделения, так и по выходу штыба из прогнозных скважин. Качество увлажнения определялось путем измерения влажности угля и равномерности ее распределения по обработанной площади. В среднем после гидрообработки пласта ms–«Куцый» средняя влажность угля в пределах обработанной зоны составила 4,6 % (природная влажность 2,4 %). Результаты измерений динамической прочности угля в различных зонах позволяют определить обобщенный показатель прочности угля до и после увлажнения. Соответственно, она равна fч = 0,29; fnp = 0,16 (рис. 3). Подобные исследования были проведены на ряде шахт, разрабатывающих пласты крутого падения, и было установлено, что при проведении комплекса работ по увлажнению угольного массива происходит уменьшение обобщенного показателя прочности угля, и в этом случае прогнозирование ее уменьшения описывается выражением

где fпр.м – обобщенный показатель прочности угля в необработанной зоне; Кизм. – коэффициент, учитывающий изменение динамической прочности в зоне увлажнения, Кизм.=0,55...0,85, К=0,75.

Изменение физико-механических свойств угля приводит к перераспределению горного давления в зонах увлажнения, что приводит к существенному снижению показателей динамики газовыделения и глубины зоны разгрузки. На основе проведенных исследований можно рассматривать увлажнение угольного пласта как комплексную меру по снижению проявления вредностей в шахтах. Это даст реальную возможность безаварийной и безопасной отработки угольных пластов в сложных условиях и позволит достичь высоких показателей по добыче угля.

Список использованной литературы

1. Виноградов В.В. Геомеханика управления состоянием массиву вблизи горных выработок. К.: «Наукова думка», 1989, 191 с.
2. Чернов О.Н., Муратов В.Н., Шлимовичус Я.Т. Исследование предварительного увлажнения угольных пластов как способа воздействия на механические свойства и напряженное состояние угольного массива. Сб. «Проявление горного давлении на увлажненных угольных пластах». ЦНИИЭНТИ угольной промышленности. М.: Недра, 1968, с. 3–10.
3. Артамонов В.Н., Бондаренко А.Ю., Кузык И.Н., Замай Л.II. Исследование влияния увлажнения краевой части угольнот пласта на механические процессы вокруг выемочной выработки. Известия Донецкого горного института, 1997. № 1 (5), с. 46–50.
4. Промышленные испытания микрокапиллярного увлажнения им пластах крутого падения и разработка инструкции по применению /отчет/, тема 78–5, ДПИ, Медведев Б.И., 1978.