Содержание к диссертации
Введение
Современное состояние проблемы борьбы с взрывами пылеметано-воздушных смесей в угольных шахтах. цель и задачи исследований 13
1.1. Анализ статистических данных по взрывам пылеметано-воздушных смесей в угольных шахтах Российской Федерации 13
1.2. Условия возникновения взрывов метана и угольной пыли в шахтах 22
1.3. Пылевая и газовая опасности в угольных шахтах. Влияние предварительной дегазации пластов на пылеобразование 32
1.4. Несовершенство нормативно-технических документов при расчете параметров проветривания 35
1.5. Характеристика современного уровня развития способов и средств борьбы с взрывами газа и угольной пыли в шахтах 43
Выводы, цель и задачи исследований 54
Теоретические и практические исследования процессов пылеобразования, запыленности и загазованности воздуха в выемочных участках 58
2.1. Источники пылеобразования и газовыделения в угольных шахтах 58
2.2. Процессы накопления угольной пыли и переход её во взвешенное состояние 68
2.3. Хроматографический анализ состава и количества углеводородных газов угольных пластов и угольной пыли как показателей газовой и пылевой опасностей в угольных шахтах
2.4. Причины и механизм образования пылегазоопасных зон в выемочных участках при существующих схемах их про ветривания 87
Выводы 95
Теоретические и практические исследования процессов аэродинамического старения горных выработок как фактора, определяю щего надежность шахтных вентиляционных систем 98
3.1. Анализ состояния вентиляционных систем шахт 98
3.2. Методика исследования аэродинамического старения горных выработок 107
3.3. Результаты исследования аэродинамического старения горных выработок 112
3.4. Критерий оценки влияния аэродинамического старения выработок на надежность шахтных вентиляционных систем 115
3.5. Графики профилактического ремонта элементов шахтных вентиляционных сетей 122 Выводы 135
Исследование закономерностей взаимодействия флюидов системы жидкость-газ с углем при термовлажностной обработке газонаполненными растворами ПАВ 139
4.1. Сущность процесса предварительного увлажнения угольных пластов 139
4.2. Теоретические исследования механизма переноса газов и компонентов растворов в угольном массиве 156
4.3. Основные законы течения жидкостей в угольном массиве. Капиллярная пропитка 164
4.4. Основные закономерности процесса нагнетания в пласт газонаполненных растворов ПАВ
4.5. Взаимодействие нагнетаемой рабочей жидкости с уголь
ным массивом 189
Выводы 195
Лабораторные исследования процессов тер мовлажностной обработки угля газонапол ненными растворами поверхностно активных веществ 199
5.1. Общие положения 199
5.2. Исследование кинетики влагонасыщения угля при термо-влажностной обработке газонаполненными растворами ПАВ 200
5.3. Исследование поверхностного натяжения рабочей жидкости после увлажнения газонаполненными растворами ПАВ 210
5.4. Исследование влияния концентрации смачивателя на десорбцию углеводородов из угля при термовлажностной обработке газонаполненными растворами ПАВ 217
5.5. Оценка влияния температуры, концентрации смачивателя и давления инертного газа при увлажнении угля на его пылеобразующую способность 225
5.6. Испытания технологии обеспыливания с помощью темпе-ратурно-активированной воды (TAB) 234 Выводы 243
Разработка технических и технологических решений по комплексному управлению пы легазовыделением в очистных и проходческих забоях шахт 245
6.1. Управление пылегазовыделением в очистном забое с учетом стратификации воздушных потоков и особенностей старения горных выработок 245
6.2. Комплексный метод снижения пылевой и газовой опасностей в угольных шахтах
6.3. Разработка методики промышленных испытаний обеспыливающей термовлажностной химреагентной обработки (ТВХО) угольного массива 261
64. Разработка методики обработки угольного пласта газона полненными растворами поверхностно-активных веществ (ОГНР) 277
6.5. Выбор объекта и условия проведения промышленных испытаний ОГНР на шахте им. СМ. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» 283
6.6. Технологические схемы заблаговременной дегазационной подготовки газоносных угольных пластов 287
6.7. Оценка эффективности обработки и освоения скважин заблаговременной дегазационной подготовки на полях шахт
им. В.И. Ленина и «Казахстанская» 301
Выводы 320
Заключение 324
Список литературы 329
- Пылевая и газовая опасности в угольных шахтах. Влияние предварительной дегазации пластов на пылеобразование
- Хроматографический анализ состава и количества углеводородных газов угольных пластов и угольной пыли как показателей газовой и пылевой опасностей в угольных шахтах
- Критерий оценки влияния аэродинамического старения выработок на надежность шахтных вентиляционных систем
- Основные законы течения жидкостей в угольном массиве. Капиллярная пропитка
Введение к работе
Актуальность работы. Интенсификация производственных процессов при подземной добыче угля в условиях постоянного увеличения глубины горных работ сопровождается учащением проявлений природных опасностей в шахтах, среди которых особое место по катастрофичности последствий занимают газовая и пылевая опасности, внезапные выбросы угля и газа. Масштабные катастрофы в угольных шахтах за последние годы в результате взрывов метановоздушных смесей показали несовершенство существующей концепции обеспечения взрывобезопасности горных работ на высокогазоносных угольных пластах и потребовали фундаментальных исследований для ее усовершенствования.
В решении проблемы борьбы с взрывами метана и угольной пыли на больших глубинах выбросоопасных пластов остаются неопределенными механизмы газодинамических явлений, генерации углеводородов угольным веществом, образования и самовоспламенения взрывоопасной среды в горных выработках. Отсутствуют исследования динамики стратифицированных по плотности воздушных потоков, определяющей их диффузионные свойства и процессы выноса вредных примесей. Не учитываются динамические условия движения воздуха и переноса многокомпонентных пылегазовых смесей в горных выработках, осложняющиеся процессами аэродинамического старения выработок. Вследствие этого эффективность вентиляционных потоков часто оказывается недостаточной. Общеизвестны случаи образования опасных слоевых скоплений метана в выработках при среднем удовлетворительном состоянии их вентиляции. В результате несовершенства действующей системы обеспечения взрывобезопасности шахт в Кузбассе ежегодно происходит от 6 до 21 случаев вспышек и взрывов газа и пыли.
В связи с вышеизложенным проблема повышения безопасности горных работ путем комплексного управления пылегазовыделением в очистных и проходческих забоях за счет снижения пылеобразующей способности угля и повышения остаточной газоносности угольного массива и отбитого угля на основе разработки технологических решений по термовлажностной обработке газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, являются актуальными, имеющими важное народнохозяйственное значение.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование комплексного метода пылегазоподавления при разработке высокогазоносных угольных пластов, опасных по взрывам пыли, путем активного воздействия на угленосный массив газонаполненных растворов ПАВ, обеспечивающего повышение безопасности угледобычи при внедрении высокопроизводительной горной техники в шахтах.
Идея работы заключается в возможности изменения сорбционных характеристик угольного пласта за счет использования механизма замещения газа в сорбционном объеме угля и снижения пылеобразующей способности за счет повышения смачиваемости и равномерности увлажнения при термовлажност- ной обработке газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Опасность высокогазообильных угольных шахт по взрывам газа и пыли должна оцениваться по всему спектру горючих примесей: метану, тяжелым углеводородам и угольной пыли, одновременно присутствующих в горных выработках.
-
С возрастанием метаноносности угольного пласта и глубины разработки увеличивается содержание тяжелых углеводородов в угле, что повышает взрывопожароопасность угольной пыли. Количество сорбированных пылью тяжелых углеводородов, нелинейно зависит от фракционного состава пыли.
-
Термовлажностная химреагентная обработка угольного пласта обеспечивает управление газовыделением на основе использования установленных закономерностей взаимодействия флюидов системы жидкость - газ с углем. Нелинейные зависимости десорбции углеводородов свидетельствуют о блокирование газов при низких и высоких концентрациях смачивателя.
-
Взаимодействие флюидов системы жидкость - газ с углем при нагнетании в угольный пласт нагретых дисперсионно-подвижных газонаполненных поверхностно-активных сред с высокими смачивающе-связывающими свойствами, обеспечивает перестройку пористо-трещиноватой структуры и связывание пыли за счет термодинамических и поверхностных явлений, протекающих на границах раздела фаз: уголь, жидкость, газ.
-
Газонаполнение растворов поверхностно-активных веществ инертными газами способствует образованию воздушно-механической пены на поверхности трещин при разрушении предварительно увлажненного угольного пласта, что позволяет повысить эффективность связывания пыли при добыче угля.
-
Рациональные параметры воздействия: концентрация смачивателя, удельный расход и температура жидкости, давление газонаполненного раство- pa, концентрация газа в растворе ПАВ определяются на основе установленных зависимостей пылеобразующей способности угля от концентрации и давления газонаполненного раствора ПАВ и времени контакта угля с раствором.
-
При управлении пылегазовыделением в очистном забое необходимо учитывать наличие динамически активных газов, формирующих стратифицированные по плотности воздушные потоки, и особенности старения горных выработок, приводящие к росту их аэродинамических сопротивлений.
-
Комплексный метод пылегазоподавления, базирующийся на использовании закономерностей аэрогазодинамических процессов в горных выработках и термодинамических, сорбционных и диффузионных процессов в трещиновато-пористой среде, позволяет существенно снизить уровень запыленности и загазованности воздуха, что способствует повышению безопасности работ при использовании высокопроизводительной горной техники.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
представительным объемом лабораторных и натурных измерений при исследовании динамики запыленности и загазованности воздуха в очистных забоях и вентиляционных штреках выемочных участков шахт (более 22000 измерений);
удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований сорбционных и прочностных характеристик угля с результатами лабораторных и натурных экспериментов по снижению загазованности и запыленности воздуха, а также полученными другими авторами (расхождение не превышает 15 - 20%);
высокими значениями показателей тесноты статистической связи в полученных уравнениях регрессии - зависимости пылеобразующей способности угля от концентрации смачивателя и давления газонаполненного раствора ПАВ (коэффициент корреляции не ниже 0,8);
положительными результатами шахтных испытаний термовлажностной химреагентной обработки угольного массива на шахтах «Осинниковская» и «Алардинская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь».
Научная новизна работы заключается в следующем:
установлены закономерности взаимодействия флюидов системы жидкость - газ с углем при термовлажностной обработке угля газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, определены оптимальные концентрации раствора смачивателя, установлены зависимости десорбции углеводородов;
выявлен механизм тепловлагообменных процессов, протекающих в угольном массиве при термовлажностной обработке угля газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, главная роль в котором принадлежит диффузионному переносу газов и жидкостей, движущей силой которого является разность концентраций смачивателя и инертного газа, а также температурный градиент;
научно обоснована повышенная взрывопожароопасность угольной пыли в зависимости от фракционного состава пыли и сорбированных ею тяжелых углеводородов, имеющих меньшую по сравнению с метаном температуру воспламенения и большую теплоту сгорания;
установлены рациональные параметры термовлажностной обработки угольного массива газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ: концентрация смачивателя, удельный расход и температура жидкости, давление газонаполненных растворов, концентрация газа в растворе ПАВ, время смачивания, прирост влаги в массиве, стойкость и кратность воздушно- механической пены;
обоснована методика обработки угольного массива газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, применение которых позволит повысить смачиваемость угля и равномерность распределения нагнетаемой газонаполненной рабочей жидкости в угольном пласте с целью снижения пылевой и газовой опасностей угольных шахт.
Научное значение работы заключается в обосновании технических и технологических решений по комплексному управлению пылегазоподавлением при разработке высокогазоносных угольных пластов, опасных по взрывам пыли, на основе установленных закономерностей взаимодействия флюидов системы жидкость - газ с углем при термовлажностной обработке угля газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ, что позволяет повысить безопасность разработки угольного месторождения. Практическое значение работы:
разработана и согласована в Ростехнадзоре методика промышленных испытаний обеспыливающей влагохимреагентной тепловой обработки (BXTO) угольного массива;
разработана методика промышленных испытаний обработки угольного массива газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ;
даны научно обоснованные рекомендации по применению технологии комплексного пылегазоподавления в очистных забоях высокогазообильных выемочных участков угольных шахт, разрабатывающих пласты, опасные по взрывам пыли;
разработана технологическая документация для обработки высокогазоносных угольных пластов газонаполненными растворами поверхностно- активных веществ в условиях Ленинского района Кузбасса.
Реализация результатов работы. На основе выполненных исследований разработана и согласована в Ростехнадзоре методика промышленных испытаний обеспыливающей влагохимреагентной тепловой обработки (BXTO) угольного массива (2005 г.); разработана и утверждена методика промышленных испытаний обработки угольного массива газонаполненными растворами поверхностно-активных веществ (2011 г.). Результаты научных исследований и рекомендации были использованы: при шахтных испытаниях обеспыливающей химреагентной обработки угольного массива на шахтах «Осинниковская» и «Алардинская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» (2005 г.); в принятой к реализации Технологической части проекта предварительной дегазации пласта «Бол- дыревский» из подготовительных выработок выемочного участка 24-55 на поле шахты им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс», утвержденного в установленном порядке (2011 г.); при испытаниях технологии обеспыливания горных выработок на полигоне ОБР ВГСЧ России (г. Новомосковск, 2011 г.).
Апробация работы. Основное содержание и отдельные положения работы докладывались на III республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Донецк: ВНИИГД, 1982 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции (Москва, МГИ, 1988 г.), на 23-й Международной конференции научно-исследовательских институтов по горной безопас - ности (Вашингтон, 1989 г.); на 2-й международной конференции «Безопасность и экология горных территорий» (Владикавказ, 1995 г.); при чтении лекций в Пекинском технологическом университете (1995 г.); на научных симпозиумах «Неделя горняка» (1999-2011 гг.); на совместных научных семинарах кафедр AOT и БЖГО, AOT и ИЗОС (МГГУ, 2009-2011 гг.); на 17-й Международной конференции «ENGINEERING MECHANICS 2011», Svratka, Chech Republic, 912 May, 2011; на 2-й Международной конференции «Second IJAS conferenceat
Cambridge, Massachusetts, proud home of Harvard university. Science and Technology» (May 29- Jun 2, 2011). - Кембридж, 2011.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 42 научные работы, основными из которых являются 28, в том числе 19 статей, опубликованных в научных журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, содержит список литературы из 193 наименований, 62 рисунка, 32 таблицы и 3 приложения.
Автор выражает благодарность советнику ректора д.т.н., проф.
П. Дмитриеву, научному консультанту д.т.н. К.С. Коликову, сотрудникам кафедр «Аэрология и охрана труда», «Инженерная защита окружающей среды», «Безопасность жизнедеятельности и гражданская оборона», «Химия» МГГУ: зав. каф., д.т.н., проф. Н.О. Калединой, зав. каф., д.т.н., проф. С.В. Сластунову; зав. каф., д.э.н., проф. В.А. Умнову, д.т.н., проф. Т.А. Харламовой; сотрудникам кафедры «Защита окружающей среды и БЖД» Российского государственного геологоразведочного университета им. Серго Орджоникидзе: зав. каф., д.т.н., проф. Н.В. Демину, д.г.-м.н., проф.
C. Лебедеву; д.т.н., проф. С.В. Иляхину; сотрудникам кафедры «Экологическая химия и технология» Дагестанского государственного университета: зав. каф., д.т.н., проф. З.М. Алиеву; инженерно-техническим работникам шахты «Осинниковская» ОАО «ОУК «Южкузбассуголь» и шахты им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» за содействие и методическую помощь при выполнении работы.
Пылевая и газовая опасности в угольных шахтах. Влияние предварительной дегазации пластов на пылеобразование
В Российской Федерации в течение ряда последних лет произошли заметные изменения в технологии и технике подземной угледобычи. В ходе технического перевооружения угольных шахт получили широкое применение высокопроизводительные технологии с использованием очистных и проходческих комплексов ведущих производителей, вентиляторов и вентиляционных труб нового поколения, конвейерного транспорта с трудносгораемыми и несгораемыми лентами. В настоящее время практически полностью механизирована выемка угля на пологих пластах мощностью до 3 м и более. Существенно расширена область применения механизированных комплексов при разработке угольных пластов с неустойчивыми или труднообрушаемыми кровлями, приняты меры по комплексной механизации очистных работ на тонких и крутых пластах. Одновременно с этим наметилась тенденция концентрации горных работ.
Расширены объемы применения проходческих комбайнов, осуществляется переход на комплексную механизацию всех технологических процессов проходческого цикла на базе унификации сечения выработок и использовании новых высокопроизводительных машин и механизмов.
Одновременно с этим в отрасли усилилось внимание обеспечению безопасных и здоровых условий труда, включая меры по предупреждению опасности взрывов метана и угольной пыли. За последнее десятилетие на передовых угольных шахтах Кузбасса была реконструирована вентиляция с применением телеметрических систем автоматического контроля содержания метана в горных выработках. Кроме того, был осуществлен ряд дополнительных мероприятий по борьбе с пылью, подземными пожарами и газодинамическими явлениями, повышению безопасности применения электроэнергии и производства взрывных работ.
Разработаны и внедрены методы динамического распределения воздуха в шахтных вентиляционных си системах, что способствовало более рациональному распределению воздуха по сети горных выработок и повышению эффективности проветривания очистных и подготовительных забоев. Однако, как показывает практика, широкое внедрение прогрессивной технологии и техники угледобычи с одновременным осуществлением комплекса мер по обеспечению безопасности ведения горных работ полностью не устраняет угрозу очаговых воспламенений метана и развивающихся взрывов пылегазовых смесей в угольных шахтах.
Основные объемы добычи угля в России приходятся на шахты Кузбасса. В 2010 г. здесь добыто более 115 млн. т угля. В настоящее время Кузнецкий бассейн является основным поставщиком угля в России. Он включает более 150 угледобывающих предприятий, 119 из которых составляют шахты (из них 63 действующих шахт, 10 - строящихся шахт и 46 шахт подлежат закрытию). Из числа действующих шахт 29 отнесены к III категории и выше по метану, и 14 шахт - к опасным по внезапным выбросам. В большинстве из действующих шахт отрабатываются пласты, опасные по взрывам пыли. Пять шахт Кузбасса имеют абсолютную газообильность более 100 м /мин (им. СМ. Кирова, «Чер-тинская», «Абашевская», «Есаульская», «Распадская») [5, 50].
Средствами проветривания, дегазации на дневную поверхность выбра-сывается ежегодно более 1200 млн. м метана. Эксплуатируются 100 вентиляторов главного проветривания, 26 газоотсасывающих вентиляторных установок. Глубина отработки угольных пластов на 6 шахтах достигла 900 м и более. Длина готовых к выемке выемочных столбов составляет 2-3 км. Нагрузка на очистной забой увеличена в 3 раза, а в отдельных случаях - в 8-10 раз (более 20 очистных бригад работают в миллионном и двухмиллионном режимах). Коэффициент извлечения метана из угольных месторождений РФ не превышает 0,25. В Кузбассе он составляет в среднем 0,15 - 0,17, а на шахтах с дегазацией -0,23-0,26 [5].
Мощные взрывы угольной пыли с числом жертв 50 человек и более происходили в угольных шахтах почти во всех странах, добывающих уголь. Вместе с тем такие взрывы чаще всего возникали там, где пылевзрывозащитные мероприятия проводились в недостаточном объеме.
Основное количество взрывов происходит при ведении очистных и подготовительных горных работ, а также при ведении монтажных работ с нарушениями вентиляционного режима.
Анализ статистических данных Ростехнадзора о взрывах, происшедших на шахтах Кузбасса за период с 1990г. по 2009г. показывает, что за этот период произошло около 400 случаев вспышек пылегазовоздушных смесей, в том числе взрывов. Наибольшее число вспышек и взрывов произошло в производственных объединениях «Прокопьевскуголь» - 84 случая, «Киселевскуголь» - 37, «Южкузбассуголь» - 31, «Северокузбассуголь» - 17 и т.д. [5, 50].
Наиболее катастрофические последствия взрывов произошли на следующих шахтах: шахта им. Л.Д. Шевякова. Взрыв произошел 12 января 1992г. Погибли 25 горняков. Причиной взрыва явилось повышенное метановыделение при ведении очистных работ в зоне геологического нарушения. Источником воспламенения предположительно явилось короткое замыкание электрических кабелей, питающих приводную головку конвейера и комбайна, неисправность электропривода очистного комбайна, фрикционное искрение при ударе рабочих органов комбайна о куски породы. Горные работы велись по паспорту, составленному с серьезными отступлениями от требований правил безопасности, что привело к накоплению метана до взрывоопасной концентрации в верхней части очистного забоя. Взрыв произошел с участием большого количества угольной пыли. Ущерб составил 808470 тыс. руб. (в ценах 1992г.); шахта «Первомайская». Взрыв произошел в 1995г. Погибли 15 шахтеров. Причиной взрыва явился выброс газа и пыли при ведении буровзрывных работ, выгорание шпурового заряда. Взрыв произошел с участием угольной пыли. Ущерб составил 20463700 тыс. руб. (в ценах 1995г.); шахта «Зиминка». Взрыв произошел 18 ноября 1995г. Погибли 12 человек. Причиной взрыва явилось загазирование выработок до взрывоопасной концентрации, нарушение работ со взрывчатыми веществами. Ущерб составил 25100 тыс. руб. (в ценах 1995г.);
Хроматографический анализ состава и количества углеводородных газов угольных пластов и угольной пыли как показателей газовой и пылевой опасностей в угольных шахтах
Во многих случаях под действием давления воды, заполняющей трещины пласта, происходит разрушение угольного массива, сопровождающееся отжимом угля. В результате на 15 - 20% снижается энергоемкость отбойки угля, отпадает необходимость в проведении взрывных работ по углю, а производительность забоя иногда возрастает на 57% [108,109,110].
Нагнетание воды через короткие шпуры является трудоемким процессом, занимающим много времени. На зарубежных угольных шахтах увлажнение часто производится в отдельную смену. Увеличение же давления воды и скорости нагнетания с целью сокращения затрат времени на увлажнение в большинстве случаев невозможно, так как при этом происходит быстрое разрушение массива угля и образование крупных открытых трещин, по которым вода вытекает из забоя, не увлажняя пласт.
Увлажнение угольного массива через скважины глубиной более Зм, пробуренные из очистного забоя, в шестидесятые годы было осуществлено на шахтах Англии, Бельгии и ФРГ с целью усовершенствования «классического» способа нагнетания воды через короткие шпуры [188, 189]. При таком способе увлажнения в отличие от рассмотренного выше, в условиях одного пласта потребовалось применение более высокого давления воды. Это обстоятельство, а также меньшая трещиноватость пластов в глубине массива и отсутствие открытых трещин позволили более равномерно увлажнить пласт и существенно снизить удельный расход воды. В сравнении с нагнетанием через короткие шпуры равный эффект пылеподавления достигался при расходе 3 - 10л воды на тонну угля [189].Затраты времени на нагнетание в каждую скважину были значительны, что в некоторой мере объясняется недостаточной производительностью применявшихся при опытах насосных установок. Вместе с тем, с помощью одной скважины увлажняется больший объем угля, что позволяет сократить число их в забое.
В Англии проводились опыты по нагнетанию воды через скважины глубиной 10 - 15 м, пробуренные из очистного забоя за зону опорного давления [188]. Положение этой зоны устанавливалось по скорости нагнетания воды (при равном давлении) в скважины различной глубины, герметизированными на одинаковом расстоянии от конца. Изменение скорости нагнетания позволило оценить проницаемость угольного массива на различном расстоянии от забоя и определить участок его с наименьшей проницаемостью, что указывало на положение зоны опорного давления. Скважины для увлажнения бурились на несколько метров за зону опорного давления и герметизировались в зоне опорного давления, где уголь наиболее уплотнен, что обеспечивало хорошие условия герметизации. Одной скважиной удавалось увлажнить массив угля по падению пласта на 15 - 20 м и по простиранию на 4 - 6 м. Это позволило в несколько раз уменьшить число скважин в забое, а нагнетание повторять через больший промежуток времени. Удельный расход воды был невелик - 4- -5 л на тонну угля -и обеспечивалось равномерное увлажнение угольного массива.
Нагнетание воды через скважины, параллельные линии забоя и расположенные в призабойной части пласта, не имеет существенной разницы в давлении воды, удельном расходе ее и эффективности пылеподавления в сравнении с нагнетанием через короткие шпуры. Это объясняется тем, что в обоих случаях нагнетание производится в призабойной части пласта, характеризующейся высокой трещиноватостью [31]. В Англии такое нагнетание совмещается со взрывными работами по углю, для чего в скважине размещаются рассредоточенные заряды ВВ, которые взрывают после насыщения угольного массива водой [188].
Нагнетание воды через длинные скважины, пробуренные из опережающей подготовительной выработки, впервые было осуществлено в нашей стране [109]. Этот способ нагнетания в значительной мере отличается от других прежде всего тем, что увлажнение угольного пласта производится на значительном расстоянии от очистного забоя (10 м и более) в течение длительного времени.
При опытах на пологопадающем пласте продолжительность нагнетания составляла 10-33 часа [31]. Давление воды из-за недостаточной производительности применяемых при опытах насосных установок в большинстве случаев было невелико. Одной скважиной увлажнялся значительный объем угля, в ряде случаев полоса увлажненного угля имела ширину 10 м и более.
Эффективность пылеподавления достигала (при применении для увлажнения растворов смачивателя ДБ) 80-90%. При выемке угля наблюдалась неравномерное увлажнение угольного массива на различных участках одной и той же скважины, что приводило к значительным колебаниям эффективности пылеподавления.
Преимуществом нагнетания воды через длинные скважины, пробуренные из опережающей выработки, является проведение работ по бурению и по нагнетанию в подготовительной выработке, что делает их независимыми от работ по выемке угля. Кроме того, возможность производить нагнетание длительное время обеспечивает равномерное насыщение массива угля водой.
Следует отметить, что строгого объяснения получаемых результатов при различных способах нагнетания воды в угольный пласт не дано и выводы большинства исследователей основаны на эмпирических данных, подтверждаемых общими рассуждениями о влиянии трещиноватости угольного пласта на процесс увлажнения.
Сопоставление результатов, полученных при различных способах нагнетания воды в угольный пласт (табл. 4.2), позволяет сделать вывод, что одним из главных факторов, определяющих основные параметры нагнетания и достигаемые результаты, является глубина заложения шпуров или скважин. При увеличении глубины заложения:
Критерий оценки влияния аэродинамического старения выработок на надежность шахтных вентиляционных систем
Обычно абсолютное значение общей интенсивности газовыделения в лаву выше газовыделения, происходящего за счет молекулярной диффузии. Это еще раз подтверждает то, что вентиляционная струя будет выносить не только газ, диффундирующий в лаву на молекулярном уровне, но и газ, если таковой окажется у газоотдающей поверхности, выделившийся не по законам молекулярной диффузии. В принципе, так это и происходит на практике, когда на обводненной обнаженной поверхности угля на плоскости забоя мы можем наблюдать макроскопические пузырьки, генерируемые струйно выделяющимся метаном.
С другой стороны, при наличии у газоотдающих поверхностей достаточного количества метана он во все возрастающем количестве будет выноситься в лаву за счет турбулентной диффузии, требуя для своего разжижения все большего количества свежего воздуха, увеличение подачи которого, в свою очередь, повысит степень турбулентной активности вентиляционного потока и вынос метана в выработку, что вызовет необходимость увеличения количества подаваемого в выработку воздуха и т. д., но не до бесконечности, так как задача имеет решение при постановке и выполнении определенных условий в пространстве, граничащем с газоотдающими поверхностями.
Таким образом, уменьшение подачи в лаву свежего воздуха обусловливает снижение интенсивности выноса метана в призабойное пространство. При этом увеличение коэффициента турбулентной диффузии Отвп раз увеличивает интенсивность выноса газа также почти в п раз. Для пыли такая прямая пропорциональность не выдерживается в силу быстрого гравитационного осаждения грубо дисперсной пыли, поэтому увеличение DTBn раз ведет к увеличению запыленности лишь в 7й раз.
Многочисленные исследования [14-17, 24, 29, 35, 38, 39, 41, 48, 58-61, 75, 171 и др.], проведенные на угольных шахтах, показали, что при скорости движения воздуха, превышающей некоторое критическое ее значение, начинается активное вовлечение в поток пыли, осевшей на поверхности и почве выработок, и запыленность воздуха начинает возрастать.
Аэродинамическое воздействие воздушного потока на частицу пыли слагается из силы лобового давления Fn и подъемной силы Fn , которые стремятся сдвинуть и поднять частицу в воздушный поток. В покое частицу удерживают сила тяжести FT и сила прилипания ее к поверхности Fnp. Для отрыва и уноса осевших частиц необходимо, чтобы аэродинамические силы воздушного потока были больше силы тяжести и силы прилипания (молекулярные силы взаимодействия между частицами или частицей и поверхностью, на которой лежит пылинка), т.
Частица будет находиться в состоянии неустойчивого равновесия при условии равенства нулю суммы моментов всех действующих на нее сил, т. е. Из выражения (6.21) с учетом формул (6.17) - (6.20) можно получить формулу для определения критической скорости воздушного потока, при которой осевшие частицы пыли находятся в состоянии неустойчивого равновесия, где ис - средняя скорость движения воздуха по сечению выработки, м/с; а - аэродинамический коэффициент сопротивления трения, Н-с2/м4. Тогда выражение (6.22) примет вид
Использование формулы (6.24) для расчета критической скорости движения воздуха связано с трудностью аналитического определения величины а, которая зависит от физико-химических свойств частицы и поверхности выработки, влажности и условий контакта. Она может быть задана только приближенно. Поэтому в большинстве случаев для определения критической скорости движения воздуха используются экспериментальные методы.
Область применения вентиляционных средств для борьбы с пылью при непрерывном действии источников пылевыделения ограничивается критической скоростью. Последняя не является величиной постоянной и изменяется в зависимости от различных факторов (от свойств пыли, влажности воздуха и пыли, местоположения слоя пыли). Поэтому расход воздуха (м3/с) для проветривания выработок по пылевому фактору определяется по формуле Q = SBvon, (6.25) где SB - поперечного сечения проветриваемой выработки, м ; von - оптимальная скорость движения воздуха, м/с.
Расход воздуха (м /с) для проветривания выработок по интенсивности источника пылевыделения определяется по формуле где Nn - интенсивность источника пылеобразования, мг/с; кн - коэффициент, учитывающий неравномерность пылеобразования; кв - коэффициент, учитывающий влияние влажности; пд - допустимая концентрация пыли, мг/м3; пн -начальная концентрация пыли в воздухе, поступающем для проветривания вы-работки, мг/м .
При значительной интенсивности источника пылевыделения расход воздуха, определенный по формуле (6.26), может оказаться таким, что скорость воздушного потока в выработке будет не только выше оптимальной, но и выше критической, что вызовет рост запыленности воздуха. Поэтому допустимая концентрация пыли может быть обеспечена при соблюдении условия Qon -Qm, т.е.
Комплексный метод снижения пылевой и газовой опасностей в угольных шахтах
Основой вентиляционных расчетов является правильное определение количества воздуха, необходимого для проветривания выработок. В настоящее время для газообильных выработок оно определяется путем умножения выделяющегося в них количества газа q на заданный коэффициент разбавления к:
Если считать к постоянным для всей выработки, как это принимается в настоящее время, то это будет означать, что отношение будет постоянно во всех частях выработки, т.е. концентрация с также будет постоянна во всей выработке. Однако у газоотдающих поверхностей концентрации выше, чем в ядре потока, и выше, чем средняя концентрация газа в сечении. Из этого следует, что в выработке, где происходят процессы диффузии, всегда должны быть зоны с концентрацией газа, превышающей среднюю по выработке cCD =—. Следовательно, при расчете воздуха по формуле (6.28) в от-р к дельных местах выработки концентрация газа будет больше допустимой расчетной величины. Тем самым создается потенциальная возможность для слоевого загазирования и образования слоевых скоплений газа.
Методы расчета, основанные на использовании формул типа (6.28) и, следовательно, не учитывающие диффузионных процессов в выработках, являются статическими. Решение возникшей проблемы может быть двояким. Во-первых, в формулу (3.1) можно ввести некоторый коэффициент запаса к3: Q = кзкЧ (6.30) который, вообще говоря, будет иметь свое значение для каждой выработки и даже для каждого режима вентиляции. Очевидно, что для практического использования формулы (6.30) необходим большой объем натурных наблюдений. Во-вторых, количество воздуха можно определить путем решения уравнения диффузии для конкретных условий. Обычно расчет ведется для стацио tfSz тарных условии при движении воздуха только вдоль выработки (и = w = 0); диффузионными потоками вдоль выработки можно пренебречь в связи с их малой величиной по сравнению с конвективным переносом
Основные законы течения жидкостей в угольном массиве. Капиллярная пропитка
Отдельные протяженные трещины гидрорасчленения могут распространяться на значительные расстояния (до 150-200 м) от скважины и выходить за пределы эллипса обработки.
Прискважинная часть коллектора, сформированного в зоне гидрорасчленения, характеризуется развитой системой трещин со средним зиянием 2-10 мм. Эти трещины визуально и инструментально обнаруживались при проведении подготовительных выработок. В периферийной части зоны воздействия густота и раскрытие трещин уменьшаются.
При недостаточном заблаговременном извлечении метана из зоны обработки в процессе проведения подготовительных выработок в прискважинной части техногенного коллектора могут иметь место отдельные газопроявления. В частности, при прогнозе выбросоопасности по начальной скорости газовыделения и выходу штыба с метрового интервала длины прогнозного шпура, в этой части техногенного коллектора при пересечении прогнозным шпуром достаточно крупных трещин гидрорасчленения, начальная скорость газовыделения может иметь высокие значения. Поэтому прогноз выбросоопасности в зонах гидрорасчленения ведется не только по величине начальной скорости газовыделения и выхода штыба с метрового интервала длины прогнозного шпура, но и по динамике скорости газовыделения, что отражено в нормативных документах.
Свойства техногенного коллектора, созданного в результате гидрорасчленения угольного пласта, меняются во времени. Исследованиями установлено, что естественная проницаемость пласта de составляет (10ч-50)-10 мД.
В процессе извлечения рабочей жидкости и газа свойства созданного техногенного начинают изменяться. Вначале его фазовая проницаемость по газу для трещин и блоков сопоставима и составляет порядка 0.01 мД.
При освобождении трещин от воды, угольный пласт приобретает свойства трещиновато-пористой среды, и трещинная проницаемость повышается до 0,2 мД. По мере съема газа трещинная проницаемость увеличивается еще на порядок (до 1,5-2,0 мД).
Дегазация блоков угля трансформирует угольный пласт из неоднородно-трещиноватой среды в трещиноватую и сопровождается дальнейшим повышением трещинной проницаемости до 8-10 мД. Наиболее эффективно повышение проницаемости в прискважинной части коллектора на расстояниях до 60 м от скважины.
Важно отметить, что свойства техногенного коллектора, сформированного в зоне гидрорасчленения, отличаются не только образованием системы трещин, разбивающих массив на отдельные блоки, но и глубокими изменениями структуры угольного вещества внутри этих блоков, где открытая пористость угля в 2-3 раза превышает исходную.
Отметим, что пористость угля определяется для кусочков, отобранных из угольного пласта при проведении горных выработок, и характеризует состояние угля внутри блоков. Этот показатель претерпевает существенные изменения при гидрорасчленении и позволяет с достаточной достоверностью определять границы техногенного коллектора, сформированного при заблаговременной дегазационной подготовке.
Основной целью гидрорасчленения угольного пласта является существенное повышение его проницаемости с созданием техногенного коллектора, обеспечивающего эффективный приток метана к скважине в процессе заблаго 316 временной дегазационной подготовки, направленной на снижение газоносности угольного массива.
При разработке проектов на заблаговременную дегазацию пласта Дб на поле шахты «Казахстанская» (при определении темпов и объемов закачки рабочей жидкости) эффективный радиус воздействия принимался равным 120 м.
При природной газоносности пласта d6 18 м /т и остаточной газоносно-сти угля 4-6 м /т, в зоне обработки одной скважины ЗДП содержится газовый потенциал, составляющий около 2,6 млн. м3. Из них порядка 300000-500000 м3 метана находится в свободном состоянии, а остальной газ - в связанном состоянии. При освоении скважины в первую очередь извлекается свободный газ, содержащийся в трещинах и сообщающихся порах. По мере снижения давления свободного газа, в созданном техногенном коллекторе начинаются сложные и длительные процессы перехода связанного метана в свободное состояние. Причем более интенсивно дегазируется прискважинная часть этого коллектора, где газоносность снижается до уровня, близкого к остаточной газоносности угля.
Горно-геологические условия могут способствовать более интенсивному извлечению метана из скважин. На участках угольных пластов, прилегающих к крупным тектоническим нарушениям, природная нарушенность массива позволяет формировать в процессе гидрорасчленения более продуктивные техногенные коллекторы.
При одинаковой технологии воздействия на пласт, интенсивность газовыделения за счет благоприятных горно-геологических условий может повышаться в 2-3 раза. Однако и на этих участках газовыделение в скважины продолжается до 10-15 лет, а съем метана за весь период освоения не превышает разницу между природной и остаточной газоносностью угля.
Предотвращения возможности формирования выбросоопасной ситуации в зонах гидрорасчленения определяется увеличением фильтрационных характеристик сформированной блочной структуры техногенного коллектора, где фильтрующая пористость угля, увеличивается в 2-3 раза. Доказано, что в зонах гидрорасчленения природная проницаемость пласта увеличение на 3-4 порядка (с 12-І-50 10"4 мД до 10 мД). Это обеспечивает эффективный дренаж метана из призабойной части и почвы подготовительной выработки и надежно предотвращает саму возможность формирования выбросоопасной ситуации. Таким образом, действие гидрорасчленения на угольный пласт аналогично его надра-ботке. Дополнительная эффективность гидрорасчленения обеспечивается заблаговременным съемом метана.
Оценка снижения газоносности пласта d6 заблаговременной дегазацией в лаве 312- СІ6-13. В зоне ведения горных работ по подготовке и отработке лавы 312- aV13 извлечение метана заблаговременной дегазацией велось через скважины № 23,24,25,28,29,31,37. По всем этим скважинам были выдержаны проектные показатели обработки. Исключение составляет скважина № 31, на которой из-за прорывов рабочей жидкости в геологоразведочную скважину фактически было закачано 1000 м воды (проектный объем составлял 4500 м воды). Результаты снижения газоносности пласта d6 при его заблаговременной дегазации приведены в таблице 6.24. Расчет эффективного радиуса воздействия скважин произведен по формуле (6.55). При этом коэффициент учитывающий потери жидкости на нарушенность пласта (кн) принят равным 1,5, а эффективная пористость угольного пласта (пэ в процентах), равной 1,0.
Изменение структуры газовыделения из разрабатываемого угольного пласта в зонах ГРП иллюстрирует рис. 6.15. В прискважинной части зон ГРП (при съеме метана до 8 м3/т или порядка 44% от природной газоносности) газовыделение из разрабатываемого пласта снижается в 3-4 раза. В условиях пласта 0 6, добываемого в два слоя, это снижение газовыделения распространяется и на оставляемую в выработанном пространстве часть пласта.
В соответствии с "Инструкцией по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа" величину безопасной по внезапным выбросам газоносности угля (XQ) определяют по формуле
