Розробка раціональних параметрів зволоження пластових підготовчих виробок на пластах Центрального району Донбасу

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

МІНІСТЕРСТВО ВУГІЛЬНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

ВІДДІЛЕННЯ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИХ ГІРНИЧИХ ПРОБЛЕМ ДОНЕЦЬКОГО ФІЗИКО-ТЕХНІЧНОГО ІНСТИТУТУ ім. О.О. ГАЛКІНА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.15.11.-"Фізичні процеси гірничого виробництва"

РОЗРОБКА РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ ЗВОЛОЖЕННЯ ПЛАСТОВИХ ПІДГОТОВЧИХ ВИРОБОК НА ПЛАСТАХ ЦЕНТРАЛЬНОГО РАЙОНУ ДОНБАСУ

Борисенко Едуард Вадимович

Донецьк-2000

ВСТУП

Актуальність роботи. Шахти Центрального району Донбасу розробляють вугільні пласти з кута падіння від 30 до 70 потужністю, як правило, що не перевищує 1 м. Зараз гірничі роботи на більшості шахт ведуться на глибині 800-1200 м при підвищеній газоносності вугільних пластів і температурі гірничого масиву, що вміщає, до 38-42C.

Підтримка й охорона підготовчих виробок у цих умовах є дуже трудомісткою через великі величини деформації порід на контурі виробки. Так більш 20% усіх виробок, включаючи квершлаги і польові виробки, знаходяться в незадовільному стані, а по вентиляційних і відкаточних штреках цей показник перевищує 30%. Водночас, унаслідок технічних і економічних труднощів, які зазнають шахти Донецького басейну в даний час, лише 30-35% виробок, що потребують ремонту, перекріплюються. Розроблені засоби підтримки й охорони гірничих виробок, такі як кріплення підвищеного опору, кріплення посилення, способи розвантаження навколишнього масиву в цих умовах технічно важко здійсненні та не завжди економічно вигідні.

Отже, для поліпшення умов відпрацьовування вугільних пластів Донбасу актуальним є удосконалення засобу активного управління гірничим масивом.

Найбільше поширення одержали способи активного управління станом гірничого масиву шляхом його гідрообробки, розроблені ІГД ім. О.О.Скочинського, МакНДІ, ДонФТІ НАНУ, ІГТМ НАНУ, ДДТУ, ІПКОН РАН, МГІ, СхідНДІ. Досвід застосування цих засобів показав достатньо високу їх технічну та економічну ефективність. Водночас, гірничо-геологічні і гірничотехнічні умови відробки газоносних вугільних пластів, що погіршуються, потребують подальшого розвитку й удосконалювання параметрів відомих способів гідрообробки.

Зв'язок теми дисертації з планом науково-дослідних робіт інституту. Комплекс робіт із дослідження та створення способу управління напружено-деформованим станом гірничого масиву в складних гірничо-геологічних умовах, який базується на застосуванні водяних розчинів поверхнево-активних речовин (ПАР), є одним із головних наукових напрямків роботи у Відділенні фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ НАН України. Основні результати дисертаційної роботи отримані в процесі виконання НДР, що проведені Відділенням фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ НАН України (№ ДР 0199U002103 і № ДР 0197U008905), у яких автор приймав безпосередню участь.

Мета роботи - обґрунтувати раціональні параметри зволоження вугільного пласта розчинами ПАР в окрузі підготовчих виробок з метою підвищення їхніх експлуатаційних можливостей на основі вивчення закономірностей проявів гірничого тиску та управління напружено-деформованим станом гірничого масиву.

Основна ідея роботи міститься у використанні встановлених основних закономірностей проявів гірничого тиску у вугільному і породному масиві, що оточує пластову підготовчу виробку при обробці крайової частини вугільного пласта водяними розчинами ПАР, які здатні (підвищуючи пластичні властивості вугілля) зменшити можливість руйнування порід на контурі виробки, підвищити стійкість і збільшити час її експлуатації.

Дослідження включали: аналіз і узагальнення дослідження інших авторів, які опубліковані раніше з досліджуваної проблеми; математичне моделювання напружено-деформованого стану гірничого масиву; комплексні шахтні експерименти з вивчення напружено-деформованого стану гірничого масиву і його проявів у підготовчих виробках при зволоженні крайової частини водяними розчинами ПАР із використанням методів геомеханіки і шахтної геофізики; лабораторні дослідження фізико-механічних властивостей вугілля при його зволоженні; наступний аналіз результатів експериментів із застосуванням сучасних методів математичної обробки результатів.

Вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи забезпечується значним обсягом вимірів і спостережень у шахтних умовах на 6 дільницях 3 шахт у складних гірничо-геологічних умовах, застосуванням апробованих методик і устаткування, високим збігом розрахункових і експериментальних результатів. Наукові висновки і рекомендації підтверджуються дослідною перевіркою на шахтах.

Основні наукові положення, які винесено на захист, їх новизна:

Вперше розроблений і апробований у шахтних умовах спосіб визначення розмірів зони пластичних деформацій пласта навколо підготовчої виробки, який враховує основні фактори, що впливають (глибина закладення, потужність і міцністні властивості пласта).

Визначено раціональні параметри гідрообробки пласта розчинами ПАР, що дозволяють зменшити рівень напруженого стану масиву. Встановлено, що збільшення відстані між нагнітальними свердловинами до 2,5-3,0 ефективних радіусів зволоження призводить до незначного збільшення зсувів контуру підготовчої виробки (на 11-16%) поза зоною радіуса ефективного зволоження.

Обґрунтовані параметри способу контролю ефективності зволоження вугільного пласта водяними розчинами ПАР біля пластової підготовчої виробки, який базується на застосуванні методів шахтної електророзвідки.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей зміни ширини зони пластичних деформацій вугільного пласта біля виробки в залежності від основних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов і визначенні характеру розподілу напружено-деформованого стану гірничого масиву при зволоженні водяними розчинами ПАР у залежності від відстані між нагнітальними свердловинами.

Практична цінність роботи: полягає в тому, що розроблена методика підтримки підготовчих виробок, який базується на прогнозуванні розмірів зони пластичних деформацій при зволоженні вугільного пласта водяними розчинами ПАР з раціональною відстанню між нагнітальними свердловинами, яка дозволяє значно зменшити обсяги ремонтних робіт.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Виконані в роботі дослідження і визначені на цій основі раціональні параметри способу підтримки підготовчих виробок із збільшеною відстанню між свердловинами впроваджені на шахтах ВО “Дзержинськвугілля” і “Артемвугілля”, що дозволило знизити обсяги їхного перекріплення.

Апробація роботи. Результати роботи були подані на міжнародних наукових конференціях (Гірнича геофізика, Перм, 1993 та European geophysical society, Hegie, 1996), обговорювалися й одержали схвалення на наукових семінарах у 1993-99 роках Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ НАН України, технічних радах ВО “Дзержинськвугілля” і “Артемвугілля”.

Публікації. Основний зміст роботи опубліковано в 7 друкарських роботах.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаної літератури з 104 найменувань і містить 118 сторінок машинописного тексту, 40 рисунків, 7 таблиць та 3 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

гірничий вугільний пласт зволоження

Дослідженням стану підготовчих гірничих виробок, процесів деформації гірничого масиву, вибору і обґрунтування параметрів способів та засобів охорони і підтримки пластових підготовчих виробок присвячені роботи А.Д.Алєксєєва, К.А.Ардашева, А.Ф.Бахтіна, А.Ф.Борзих, В.В.Виноградова, В.О.Дрібана, М.П.Зборщика, А.М.Зоріна, А.І.Карлова, К.В.Кошелева, Г.Г.Литвинського, В.В.Намимко, Є.І.Питаленка, В.М.Ревви, К.Ф.Сапицького, К.К.Софійського, Б.М.Усаченка, Л.Н.Ширіна та інших.

Проведений огляд робіт у галузі підтримки й охорони пластових підготовчих виробок вугільних шахт показує, що поряд із різноманітними традиційними засобами (аркове кріплення й елементи його посилення, вугільні цілики і кріплення з дерев'яних елементів) останній час усе більш широке застосування знаходить кріплення з не традиційних матеріалів (керамічні стійки, конструкції з полімерів, оболонки заповнені різноманітними матеріалами підвищеної несучої спроможності). Поряд з цим подальший розвиток одержують також способи активного управління гірничим тиском у виробках, які базуються на управлінні напружено-деформованим станом вуглепородного масиву за рахунок зміни його фізико-механічних властивостей.

Одним із таких способів є обробка гірничого масиву біля контуру виробки, безпосередньо при її проходженні, водяними розчинами поверхнево-активних речовин. Обґрунтування і розробка параметрів способу стосовно до різноманітних гірничо-геологічних умов знайшли відбиток у роботах А.Д.Алєксєєва, Є.І.Питаленка, В.Г.Александрова, Ф.М.Воскобоєва, І.К.Дьоміна, В.М.Артамонова, Ю.В.Бондаренка, А.В.Аксьонова й ін. Досвід його застосування показав високу ефективність при достатньо малих витратах, що в сучасних умовах економічного стану шахт є одним із визначальних факторів. Водночас більш раціональне використання параметрів даного способу, який базується на можливості швидкого попереднього прогнозу місця розташування максимуму опорного тиску для конкретних гірничо-геологічних умов дозволяє додатково знизити витрати з його застосування, що і визначає актуальність зазначених досліджень.

На основі вищевикладеного та відповідно до поставленої мети у роботі вирішуються такі задачі:

На основі аналітичних розрахунків напружено-деформованого стану вуглепородного масиву навколо пластової підготовчої виробки встановити залежність місця розташування максимуму опорного тиску від основних факторів.

Вивчити особливості розташування максимуму опорного тиску біля гірничої виробки з вологістю вугільного пласта, що змінюється, після його обробки водяними розчинами ПАР.

Встановити закономірності зсуву контуру виробки при зволоженні гірничого масиву зі збільшеною відстанню між свердловинами.

Використати методи шахтної геофізики для створення надійного способу контролю ефективності зволоження при гідрообробці гірничого масиву водяними розчинами ПАР.

Встановити раціональні параметри обробки вугільного пласта водяними розчинами ПАР з метою поліпшення умов підтримки пластових підготовчих виробок і визначити межу їхнього застосування.

Для вирішення поставлених задач використані стандартні, добре апробовані на практиці методи і технічні засоби для проведення шахтних і лабораторних досліджень:

з кернів порід на експериментальних дільницях уточнювалася будова і фізико-механічні властивості порід;

за даними замірних станцій із використанням контурних реперів досліджувалися процеси деформування гірничого масиву біля виробки у всіх стадіях її експлуатації;

методами шахтної геофізики визначалося розташування максимумів опорного тиску в гірничому масиві (сейсмоакустичне зондування), а також контролювалася ефективність зволоження водяними розчинами ПАР (методи шахтної електророзвідки);

міцністні характеристики вугілля і порід визначалися на установці трьохосьового нерівно-компонентного тиску;

вологість зразків вимірювалась методом ядерно-магнітного резонансу.

Відсутність до цих пір достатньо оперативного, що не потребує застосування спеціальної апаратури, способу визначення відстані до максимуму опорного тиску в окрузі конкретної виробки призводить до нераціонального використання застосованих засобів кріплення й управління гірничим тиском. Швидкими і маловитратними є аналітичні методи розрахунків напружено-деформованого стану, які базуються на використанні методів теорії пружності та пластичності. Використовуючи аналітичні залежності, які отримані А.С.Космодаміанським, О.О.Левшиним, Н.С.Хапиловою і ін., проведений аналітичний розрахунок напруженого стану гірничого масиву в такому діапазоні даних:

глибина проведення гірничих робіт, м 600-1400;

міцність вугілля, МПа5-25;

потужність пласта, м0,4-1,6;

ширина виробки, м3,0-5,0.

Аналізуючи отримані результати місця розташування максимуму опорного тиску від перерахованих факторів і з огляду на значимість кожного з них, отримана аналітична залежність у виді:

R_max=k(1,56-0,08_сж+0,5m),(1)

де k - коефіцієнт залежності від глибини, рівний 1,0; 1,35; 1,7; 2,0; 2,4 для глибин 600; 800; 1000; 1200; 1400 м відповідно.

_сж - міцність вугілля, МПа;

m - потужність пласта, м;

У лабораторних умовах були проведені дослідження з визначення впливу зволоження вугілля на його міцність. Отримані залежності надалі використовувалися при аналітичному розрахунку параметрів опорного тиску. Для експериментів були відібрані проби вугілля марки “Ж” на шахтах “Торецька” та ім. Дзержинського ВО “Дзержинськвугілля” із пластів l₄^н -”Дев'ятка”, l₂ -“Кирпичьовка”, l₃ -”Мазурка”. Для усіх відібраних зразків визначалися міцністні характеристики вугілля в залежності від обсягу сорбованої вологи у ньому. Для цього зразки висушувалися до 0,6%, а потім зволожувалися водяним розчином сульфанолу концентрацією 0,05% поетапно до 3,6-3,8%. Зміст вологи визначався за допомогою ЯМР. У результаті систематизації й обробки експериментальних даних з використанням методів математичної статистики була отримана залежність міцності вугілля від сорбованої вологи. Наприклад для вугілля марки “Ж” вона достатньо добре описується рівнянням:

_сж=9,4W^-0,5(2)

де W - сорбована вологість вугілля, %.

У результаті проведення аналітичних і лабораторних досліджень із використанням (1) і (2) були визначені прогнозні параметри місця розташування максимуму опорного тиску як для випадку не обробленого масиву, так і після його зволоження водяними розчинами ПАР.

Шахтні експерименти з визначення місця розташування максимуму опорного тиску проводилися на шахті ім. Дзержинського ВО “Дзержинськвугілля” у східному відкаточному штреку пласта k₅ “Вєлєкан” гор. 1026 м.:

уздовж підняття пласта одиночна свердловина довжиною 6 м;

на віддаленні 20 м від неї серія свердловин з відстанню 10, 12 і 14 м між ними.

Всі свердловини були оброблені за апробованою методикою ВФТГП ДонФТІ НАНУ водяним розчином ПАР. Після обробки, на 4 добу було проведено дослідження напруженого стану за допомогою методів сейсмоакустичного зондування. На рис. 2 наведені результати розташування зони максимуму опорного тиску від штреку на різноманітній відстані від нагнітальної свердловини. Як слідує з графіка (рис. 2а) за межами зони ефективного зволоження максимум опорного тиску розташовується ближче до контуру виробки, чим у межах цієї зони. При обробці зі збільшенням відстані між свердловинами (рис. 2б) просліджується зона, у якій місце розташування максимуму опорного тиску ближче до контуру виробки, ніж у зоні ефективного зволоження на 10% при відстані між свердловинами 10 м, 18% - при 12 м і 26% - при 14 м.

Для оцінки впливу гідрообробки пласта при зміненій відстані між свердловинами на даній експериментальній дільниці були закладені реперні станції для спостереження за зсувом контуру виробки в зоні впливу очисних робіт. На рис. 3 надані найбільш характерні точки: у зоні ефективної обробки прилеглої до свердловини (R1), а також на середині відстані між свердловинами (R5, R16, R29). Аналіз показує, що величини деформації штреку в перетині нормальному до нашарування й у зоні впливу очисних робіт не велике і досягають на рівні лави порядку 33-41 мм (рис. 3). Зазначений характер деформування штреку зберігається й у приробленій частині на відстані до 20 м за лавою.

а)

б)

Рис. 2. Розташування максимуму опорного тиску:

а) для одиночної свердловини;

б) при відстані між свердловинами:

10 м;

12 м;

14 м.

Рис. 3. Графіки середніх величин зсуву бокових порід на контурі східного відкаточного штреку пласта k₅ “Вєлєкан” після проведення обробки гірничого масиву розчином ПАР.

У таблиці наведене процентне збільшення зсувів порід на контурі виробки щодо зсувів у зоні ефективної обробки.

Таблиця. Збільшення зсувів контуру виробки.

Репер	Збільшення зсувів, %
	Відстань до лави, м
	0	-20 м	-40 м	-60 м
R5	22	5	9	11
R16	56	10	14	16
R29	72	17	21	30

З таблиці очевидно, що збільшення відстані між свердловинами до 2,5 радіусів ефективного зволоження (R5) призводить до збільшення зсувів лише на 11%, а до 3,0 (R16) - на 16%. Виходячи з цього, при зволоженні вугільного пласта водяними розчинами ПАР, відстань між свердловинами може досягати 2,5-3,0 радіусів ефективного зволоження, що призводить до збільшення зсувів контуру виробки не більш 11-16%.

Шахтні експерименти дозволили відпрацювати основні положення методики контролю ефективності зволоження вугільного пласта за допомогою електропрофілювання:

На дільниці, де буде проводитися зволоження вугільного пласта водяними розчинами ПАР, виконується електропрофілювання з такими значеннями установок: відстань між приймальними електродами MN - 1 м; відстань між електродами живлення - 5 м (що дозволяє досліджувати масив на глибині 1 м від контуру виробки).

Повторюється електропрофілювання з іншими значеннями установок: відстань між приймальними електродами - 1 м; відстань між електродами живлення 18 м (що дозволяє досліджувати масив на глибині 3,5 м від контуру виробки). У обох випадках крок переносу установок електродів дорівнює 5 м.

Після обробки дільниці пласта водяним розчином ПАР на 5-6 добу виміри, із зазначеними вище значеннями повторюються.

Після гідрообробки характер розподілу ефективного питомого опору в крайовій частині вугільного пласта змінюється - разом із зменшенням його питомого рівня у 2-3 разу відбувається також і вирівнювання його уздовж всієї довжини виробки. І навіть у тих місцях, де було зафіксовано аномальні його значення, також відбувається його зменшення до загального рівня.

Процес гідрообробки вугільного пласта необхідно проводити безпосередньо при проведенні виробки. Відставання між вибоєм підготовчої виробки і нагнітальними свердловинами не повинно перевищувати половини відстані між свердловинами. Це дозволить уповільнити процес деформації і руйнування порід біля виробки за рахунок зниження рівня напруг і переміщення максимуму опорного тиску всередину масиву.

Економічна ефективність від застосування розробленого способу зі збільшеною відстанню між свердловинами для підтримки підготовчих виробок, яка визначена для умов шахт ВО “Артемвугілля” і “Дзержинськвугілля” склало 210-220 грн. на один погонний метр підтримуваної виробки.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова і практична задача, що полягає в геомеханічному обґрунтуванні параметрів способу підтримки пластових підготовчих виробок, заснований на гідрообробці крайової частини вугільного пласта водяними розчинами ПАР, при раціональному збільшенні відстані між свердловинами. Основні наукові і практичні результати роботи полягають у такому:

Отримана емпіріко-аналітична залежність для визначення місця розташування максимуму опорного тиску в залежності від основних гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів.

Визначено раціональні параметри гідрообробки пласта розчинами ПАР з метою поліпшення умов підтримки пластових підготовчих виробок.

Встановлено, що збільшення відстані між нагнітальними свердловинами до 2,5-3,0 ефективних радіусів зволоження призводить до збільшення зсувів контуру підготовчої виробки (на 11-16%) поза зоною радіуса ефективного зволоження.

Запропоновано контроль ефективності зволоження вугільного пласта проводити за допомогою електропрофілювання. При цьому ефективність зволоження визначається по рівності значень електричного опору гірничого масиву на відстані 1,0 і 3,5 м від контуру виробки.

Визначено максимальне відставання гідрообробки від вибою підготовчої виробки. Воно не повинно перевищувати 1,5 радіуса ефективного зволоження.

Економічна ефективність розробленого засобу, визначена в результаті дослідної перевірки на шахтах об'єднань Центрального району Донбасу склала 210-220 грн. на 1 погонний метр виробки.

ЛІТЕРАТУРА

Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в наступних друкарських роботах:

Шаповал Н.А., Алышев Н.А., Борисенко Э.В., Житленок Д.М., Курицин Б.И., Левшин А.А., Литвинов Ю.Г., Пивень Ю.А., Питаленко Е.И. Разработка паспортов управления горным давлением с использованием компьютерной техники. - Донецк: 1998. - 120 с.

Александров В.Г., Аксенов А.В., Воробьев Е.А., Питаленко Е.И., Борисенко Э.В. Применение способов активного управления напряженно-деформированного состояния горного массива при охране подготовительных выработок //Геотехническая механика, Днепропетровск: -№5. -1998. - С. 56-61.

Алышев Н.А., Шаповал Н.А., Пивень Ю.А., Питаленко Е.И., Авербух А.Г., Аксенов А.В., Борисенко Э.В. Способы и средства охраны подготовительных горных выработок. - Донецк: ОФТГП, 1997. - 78 с.

Аксенов А.В., Романова В.В., Питаленко Е.И., Ревва В.Н., Борисенко Э.В. Управление изменением физико-механических свойств угля при его увлажнении водными растворами ПАВ. // Проблемы отработки крутых пластов Донбасса. - Донецк: ЦБНТИ МУП Украины, 1996. - С. 8-11.

Вопросы управления горным давлением на тонких крутых пластах Донбасса /В.Г.Александров, А.В.Аксенов, Н.А.Алышев, Н.А.Шаповал, Е.И.Питаленко, Ю.А.Пивень, Б.И.Курицын, Ю.Г.Литвинов, П.А. Фоменко, Е.В.Кравченко, О.А.Улицкий, О.П.Мирончак, В.Н.Ермаков, Э.В.Борисенко, Д.М.Житленок,- Донецк: Лебедь, 1998. - 288 с.

Алексеев А.Д., Исаев Ю.С., Питаленко Е.И., Борисенко Э.В. Применение методов шахтной электроразведки для контроля степени водонасыщения горного массива при его отработке водными растворами ПАВ // Горная геофизика - Пермь: 1993. - С. 45-47.

Alexeev A.D., Nedodaev N.V., Shevchenko L.V., Borisenko E.V. Physical and mechanical properties of coal saturated with the methane-water mixture and the influence of the surfase-active-substanse solutions on them. // European geophysical society, XXI general assembly, Hegie: 1996. -P. 156.

Авторський внесок:

Визначення умов для аналітичних розрахунків, систематизація отриманих результатів, встановлення закономірностей [1]

Постановка задачі, проведення експериментальних досліджень, обробка отриманих результатів [2,4]

Проведення експериментальних досліджень, обробка отриманих результатів [3,5,7]

Постановка задачі, проведення шахтних експериментів, розробка методики [6]

Размещено на Allbest.ru