В Центральном районе Донбасса предварительное увлажнение угля в массиве производится по трем основным технологическим схемам: коротких шпуров; длинных (80–100 м) скважин диаметром 120 мм, пробуренных параллельно плоскости очистного забоя из подготовительных выработок; и коротких (10–20 м) скважин диаметром 43 мм, пробуренных перпендикулярно плоскости очистного забоя.
До 1967 г. преобладала технологическая схема увлажнения угля в массиве длинными восстающими скважинами, а с 1967 г. число забоев с увлажнением угля по этой схеме стало резко уменьшаться. В то же время в Центральном районе Донбасса начала применяться схема увлажнения через короткие скважины (длиной 10–25 м), пробуренные из очистного забоя перпендикулярно его плоскости.
Главными причинами сужения области применения схемы длинных восстающих скважин явились частые случаи скопления в загерметизированной скважине газа под высоким давлением, размывов и обрушений боковых пород по длине скважины, переход которых очистными работами вызывал большие трудности.
С целью совершенствования способа борьбы с пылью путем предварительного увлажнения угля в массиве
на шахтах комбината Артемуголь
были проведены сравнительные исследования различных модификаций указанных
трех основных технологических схем. При проведении исследования длина фильтрующей части скважины изменялась
от 0.1–0.2 (точечный
источник) до 60 м. Удельный расход воды составлял 20–40 л/т.
Эти исследования показали приблизительно одинаковую эффективность пылеподавления.
Было установлено также, что основные показатели увлажнения при всех трех схемах в значительной степени
определяются длиной фильтрующей части скважины (шпура) и глубиной герметизации. Многочисленные анализы
отобранных пластово–дифференциальных проб угля убедительно показали, что при нагнетании воды через скважины
с минимальной длиной фильтрующей части (точечный
источник) влага распределяется в массиве наиболее равномерно,
а геометрия контура увлажнения наиболее полно соответствует расчетной. Кроме того, время становления режима
фильтрации с уменьшением длины фильтрующей части скважины (шпура) уменьшается, причем наиболее сильно это
разница сказывается при увлажнении через скважины. При герметизации за зоной опорного давления длина и диаметр
скважины не оказывают существенного влияния на параметры увлажнения и характер распределения влаги в массиве.
При нагнетании воды через длинные восстающие скважины с длинной фильтрующей частью, так же как и при нагнетании
через скважины ограниченной длины с точечным
источником, геометрия контуров увлажнения является приблизительно
равноценной: в обоих случаях контур увлажнения вытянут по восстанию практически на всю высоту этажа и простирается
на 15–20 м в обе стороны от скважины. При этом даже визуально заметно, что при нагнетании через точечный
источник
влага распределяется по пласту более равномерно, чем при нагнетании через скважины с длинной фильтрующей частью.
При нагнетании через падающие скважины глубина герметизации существенно влияет на геометрию контура увлажнения.
Так, при скважине с длинной фильтрующей частью зона увлажнения имеет несколько большую площадь, и влага
распределяется более равномерно, нежели при нагнетании воды через точечный
источник. Следует также отметить,
что в случае точечного
источника контур увлажнения вытянут по простиранию пласта. Кроме того, при нагнетании
через скважину с длинной фильтрующей частью вода проникает практически на всю высоту этажа, а при точечном
источнике всего лишь на 35–45 м по падению пласта. Нагнетание в обоих случаях обычно длится 8–10 ч, после чего
вода по целику угля выходит на вентиляционный штрек, давление падает и темп нагнетания увеличивается.
Анализ полученных данных показывает, что сточки зрения равномерности увлажнения восстающие скважины имеют некоторые преимущества перед падающими. Так, в среднем относительная площадь увлажнения по всем контурам значительно выше при восстающих скважинах.
Анализ проб вмещающих пород в зоне расположения скважины показал, что при нагнетании через через
скважины с длинной фильтрующей частью вода часто проникает в почву и кровлю пласта.
При этом степень увлажнения пород кровли и почвы существенно не изменяется по восстанию пласта
(в пределах длины фильтрующей части скважины). Аналогичны опыты, проделанные со скважинами с
точечным
источником, показали отсутствие прироста влаги в боковых породах.
Выявленные некоторые преимущества точечного
источника объясняются следующим.
При герметизации скважин в торце влияние структуры пласта на равномерность увлажнения может оказаться решающим
только в случае попадания точечного
источника непосредственно в одну или в систему нескольких трещин, что, конечно,
маловероятно. В остальных случаях пересечение контуром увлажнения системы трещин не приведет к существенному
изменению его геометрии (а следовательно и к равномерности увлажнения), поскольку тот незначительный объем воды,
который находится в торце скважины, не будет иметь непосредственной гидростатической связи со встречной полостью.
При применении же скважин с длинной фильтрующей частью трещины имеют непосредственную гидростатическую связь с
объемом воды, находящейся в скважине. Это означает, что по всей длине трещин давление воды будет одинаковое с
давлением воды, находящейся в скважине. Таким образом, системы трещин становятся как бы фильтрационно
равноправными с самой скважиной, в связи с чем теряется эффект направленности и протяженности. Это и определяет
преимущество точечного
источника с точки зрения возможности обеспечения заданного контура увлажнения.
Аналогичным образом можно объяснить и факт более быстрого становления режима фильтрации и стабильности данного
режима для скважин с точечным
источником. Темп нагнетания воды через скважины с длинной фильтрующей частью
несколько выше, чем в скважинах с точечным
источником. Однако, при увеличении площади фильтрации в 70–80 раз темп
нагнетания увеличивается всего лишь на 15–20 %. Отсюда можно предположить, что во всех случаях нагнетание воды
происходит преимущественно через один или несколько точечных
источников с той лишь разницей, что при скважинах с
длинной фильтрующей частью этих источников может быть несколько и расположение их совершенно неопределенно. С одной
стороны, это увеличивает время становления режима фильтрации, а с другой – затрудняет возможность получения заданного
контура увлажнения. Наиболее ощутимо величина длины фильтрующей
части сказывается при нагнетании воды через скважины, наименее – через короткие шпуры.
В процессе исследования различных технологических схем увлажнения угля в массиве было установлено преимущественно распространение воды вверх, что можно объяснить: увеличением давления пород и газа с глубиной; разгрузкой вышележащего массива и связанной с этим направленной вверх миграцией газа; капиллярным поднятием воды.
Не определяя доли влияния каждого из перечисленных факторов, необходимо отметить, что действие всех их геометрически проявляется одинаково.
На основании этого разработана новая технологическая схема увлажнения угля в массиве путем нагнетания воды в
пласт через восстающие скважины ограниченной длины (20–25 м) с точечным
источником.
Исследования этой схемы (с бурением скважин из откаточного штрека) показали, что применение ее наряду с хорошими показателями увлажнения имеет существенный недостаток – ограничение возможности нормального ведения работ в откаточном штреке. Кроме того, трудно герметизировать скважины, пройденные в нарушенном угольном массиве.
В связи с этим исследования были продолжены при нагнетании воды через восстающие скважины ограниченной длины, пробуренные из просека в нависающий угольный массив. Результаты исследований показали высокую технологичность и эффективность этой модификации схемы. В то же время был выявлен специфический недостаток предложенной схемы – незначительный прирост влаги в нижней части этажа: почти на всех пластах на высоте 6–8 м прироста влаги вообще не наблюдалось.
Для ликвидации указанного недостатка была исследована возможность дополнительного увлажнения нижней
части массива через горизонтальную скважину, пробуренную из забоя просека. Как показали исследования, нижняя
часть массива удовлетворительно увлажняется при длине скважины до 5 м с герметизацией ее, обеспечивающей
создание точечного
источника. Нагнетание воды через эту скважину можно производить одновременно с нагнетанием
воды через основную восстающую скважину. Количество воды, закачиваемой в дополнительную скважину,
обычно не превышает 4–6 % от количества воды, нагнетаемой через восстающую скважину.(рисунок)
Технологическая схема нагнетания воды через восстающие
скважины ограниченной длины, пробуренные из просека, с точечным
источником нагнетания: 1 – гидрозатворы;
2 – металлические удлинительные; 3 – высоконапорный шланг; 4 – высоконапорный насос; 5 – шпур для увлажнения
нижней части массива.
Разработанная схема помимо преимуществ, присущих схеме увлажнения через восстающие скважины ограниченной длины и с минимальной фильтрующей частью, допускает беспрепятственное ведение работ в очистном забое и откаточном штреке, а также исключает необходимость использования громоздкого оборудования.
Экономическая оценка новой технологической схемы показывает, что затраты на увлажнение угля снижаются почти в два раза.
Выводы
- Оптимизацию схем и параметров увлажнения для условий Центрального района Донбасса наиболее целесообразно
проводить в направлении преимущественного использования восстающих скважин ограниченной
длины (20–25 м) с
точечным
источником нагнетания, пробуренных из просека. - Применение этой схемы:
- существенно повышает безопасность работ в очистном забое, так как исключает размыв боковых пород и скопление газа в загерметизированной (фильтрующей) части скважин;
- снимает все трудности направленного бурения и герметизации скважин и исключает помехи для работ в очистном и подготовительном забоях.