Розробка параметрів гідродинамічного способу запобігання раптових викидів вугілля і газу при проведенні пластових виробок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут геотехнічної механіки

УДК 622.268:622.831.325

Розробка параметрів гідродинамічного способу запобігання раптових викидів вугілля і газу при проведенні пластових виробок

Спеціальність: 05.15.02. - “Підземна розробка родовищ корисних копалин”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Силін Дмитро Павлович

Дніпропетровськ 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник

доктор технічних наук Софійський К. К., завідувач відділом проблем технологій підземної розробки вугільних родовищ Інституту геотехнічної механіки Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Колоколов О. В., професор кафедри підземної розробки родовищ корисних копалин Національної гірничої академії України (м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук Гаврилов В. І., старший науковий співробітник відділу проблем розробки родовищ на великих глибинах Інституту геотехнічної механіки Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ)

Провідна установа

Комплексний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут з проблем Центрального району Донбасу (ДонНДІ) Мінпаливенерго України; лабораторія технології розробки пластів, схильних до газодинамічних явищ (м. Горлівка)

Захист відбудеться “_8_” _червня_ 2001 р. о 13³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при Інстітуті геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49095, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2-а.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інстітута геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49095, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2-а.

Автореферат розісланий “_7_” _травня_ 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д-р техн. наук Перепелиця В.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Подальший розвиток гірських робіт пов'язано зі збільшенням глибини розробки вугільних пластів, що супроводжуються підвищенням гірського тиску і температури порід, газоносності, частоти й інтенсивності газодинамічних явищ. А у Донецькому басейні кількість і середня інтенсивність викидів вугілля і газу набагато вища, ніж в інших басейнах. Застосування існуючих заходів боротьби з викидами призводить до значного збільшення витрат, зниження продуктивності праці і підвищення собівартості вугілля, а їх надійність і ефективність не дозволяють застосувати їх в усіх очисних і підготовчих виробках. Тому питання розробки параметрів гідродинамічного способу запобігання раптових викидів при проведенні пластових виробок є актуальним для вирішення важливої народно-господарської задачі підвищення безпеки праці і збільшення темпів проведення виробок.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Матеріали дисертації зв'язані з планами науково-дослідних робіт ІГТМ НАН України. Виконані дослідження здійснювалися в рамках науково-технічної проблеми “Розробити технологічні схеми способу пошарового руйнування напружених газонасичених середовищ при нетрадиційній гідродинамічній дії” (№№ держреєстрації 0183U341345 і №0114U042676), та програми Мінвуглепрому України “Розробити системи контролю, способи та технології управління станом крайнапружених і вибухонебезпечних гірничих порід та вугілля” (№№ держреєстрації UA01015901P і 0195U016052).

Ідея роботи полягае у використанні закономірностей зміни фільтраційних властивостей вугілля в процесі гідродинамічного впливу на викидонебезпечний вугільний пласт для переведення його в невикидонебезпечний стан при проведенні підготовчої виробки.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є обгрунтування параметрів гідродинамічного способу запобігання раптових викидів вугілля і газу при проведенні підготовчих виробок по викидонебезпечним вугільним пластам.

Об'єкт дослідження - напружено-деформований стан викидонебезпечного вугільного пласта.

Предметом дослідження є параметри гидродинамічного способу запобігання раптових викидів вугілля і газу при проведенні пластових виробок.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі задачі:

1) встановлення фізичної сутності і розробка математичної моделі процесу руйнації вугілля при гідродинамічному впливі;

2) визначення енергії зв'язку робочої рідини і вугілля;

3) дослідження параметрів гідродинамічного способу запобігання раптових викидів вугілля і газу при проведенні пластових виробок;

4) визначення раціональних параметрів засобу і розробка технологічної схеми проведення виробок по викидонебезпечному пласту із застосуванням гідродинамічного впливу.

Методи дослідження. Для рішення ціх задач був застосований комплекс теоретичних і експериментальних досліджень: аналіз уявлень про стан вугільного пласта і способів боротьби з раптовими викидами; математичне моделювання процесу гідродинамічного впливу, що базувалося на основних положеннях механіки суцільних середовищ; лабораторні дослідження енергії зв'язку робочої рідини і вугілля, що проведені на підставі непрямого методу визначення енергії зв'язку різноманітних видів вологи з застосуванням термографічного методу аналізу форм зв'язку вологи; експериментальні роботи в промислових умовах, які здійснювалися з використанням електрометричного методу визначення напруг у гірському масиві, методу поточного прогнозу викидонебезпечності по початковій швидкості газовиділення зі шпурів, методу прямого визначення пластового тиску газу і візуальних спостережень; обробка отриманих даних здійснювана з використанням методів математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. У результаті проведених досліджень вперше визначені та виносяться на захист такі наукові положення:

при гідродинамічному впливі на вугільний пласт через свердловину, точка входу якої в пласт віддалена на відстань 8 - 10 м від оголеної поверхні, забезпечується переведення вугілля в невикидонебезпечний стан впродовж не менше 16 м у напрямку руху підготовчої виробки, а максимум опорного тиску в обробленій зоні зменшується за рахунок витягу вугілля, зволоження і дегазації цієї зони;

час нагнітання рідини у вугільний пласт лінійно залежить від часу скидання в попередньому циклі, потужності пласта і діаметра оброблюваної зони і гіперболічно - від темпів подачі рідини;

запобігання раптових викидів вугілля і газу при проведенні пластової підготовчої виробки забезпечується витягом із вугільного пласта обсягу вугілля, прямо пропорційного потужності пласта, довжині вугільної частини технологічної свердловини і косинусу вертикального кута закладення цієї свердловини.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1) уточнено фізичну сутність і вдосконалено математичну модель процесу гідродинамічного впливу на вугільний пласт з урахуванням зміни фільтраційних характеристик пласта;

2) вперше отримано залежності необхідного часу нагнітання рідини у вугільний пласт від потужності і пористості пласта, діаметра оброблюваної зони, темпів подачі рідини і часу скидання в попередньому циклі;

3) вперше встановлено можливість застосування гідродинамічного впливу через свердловину, що не перебурює вугільний пласт, а лише досягає його найбільш викидонебезпечної пачки потужністю не менше 0,2 м;

4) вперше встановлено обсяг вугілля, що необхідно витягти з вугільного пласта гідродинамічним впливом для запобігання раптових викидів вугілля і газу при проведенні підготовчої пластової виробки;

5) вперше встановлено характер зміни властивостей вугілля й уміщуючіх порід у напрямку руху підготовчої виробки, що відбувається в результаті гідродинамічного впливу.

Практичне значення одержаних результатів складається в наступному:

вперше розроблено технологічну схему підготовки і відпрацювання по простяганню вугільних пластів потужністю 0,6 - 1,5 м із кутами падіння більш 35⁰, в якій у якості противикидного заходу в підготовчій виробці передбачене застосування гідродинамічного способу запобігання раптових викидів вугілля і газу;

обгрунтовано й апробовано в промислових умовах параметри гідродинамічного способу запобігання раптових викидів вугілля і газу при проведенні пластових виробок;

розроблено технічне завдання на створення керівного документа “Посібник із застосування способу запобігання раптових викидів вугілля і газу шляхом гідродинамічного впливу при проведенні підготовчих виробіток по крутопадаючих пластах”, а також програма і методика приймальних іспитів способу;

розроблено “Тимчасовий посібник із запобігання раптових викидів вугілля і газу гідродинамічним впливом при проведенні підготовчих виробок”.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно визначено мету та ідею роботи, поставлено задачі і намічено шляхи їх вирішення, а також проведено теоретичні і лабораторні дослідження, узагальнено результати гірсько-експериментальних робіт, сформульовано наукові положення, зроблено висновки і розроблено рекомендації. Автор приймав особисту участь в організації і проведенні досліджень в натурних умовах на шахтах ВО “Дзержинськвугілля”, в розробці програми та методики іспитів, технічного завдання на розробку керівного документу, тимчасового посібника із запобігання раптових викидів і технологічної схеми підготовки і відпрацювання по простяганню вугільних пластів потужністю 0,6 - 1,5 м із кутами падіння більш 35⁰. Зміст дисертації викладено автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та окремі результати роботи доповідалися і обговорювалися на Всесоюзній науково-технічній конференції “Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений” (м. Москва, 1989 р.), засіданні секції по Донецькому басейну Центральної комісії з боротьби з раптовими викидами вугілля, породи і газу 07.08.90, нараді про перспективи впровадження способу гідродинамічного впливу для запобігання раптових викидів вугілля і газу на шахтах Воркутинського вугільного родовища 08.08.90, Другому семінарі по вугільному машинобудівництву Кузбасу (м. Кемерово, 1991 р.), засіданні Центральної комісії з боротьби з газодинамічними явищами в шахтах вугільної промисловості України 18.05.95, II та III наукових школах “Импульсные процессы в механике сплошных сред” (м. Миколаїв, 1996 і 1999 рр.) і Міжнародній науково-практичній конференції “ХХI столетие - проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых” (м. Дніпропетровськ, 1998 р.).

Публікації. Результати дисертації наведені в 16 публікаціях, у тому числі 7 в наукових фахових виданнях, 5 матеріалах і тезах конференцій, 3 авторських свідоцтвах і 1 патенті на винахід.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків і 14 додатків на 180 сторінках машинописного тексту, в тому числі 36 рисунків, 7 таблиць і список використаних джерел із 143 найменувань.

гідродинамічний пласт крутопадаючий викид

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Розділ 1. Стан питання та задачі дослідження. Для безпечної розробки вугільних пластів, небезпечних по раптових викидах, розроблено і застосовується цілий комплекс заходів. Проте випадки виникнення викидів були зареєстровані як при здійсненні заходів, так і по їхньому закінченні. Для забезпечення безпеки ведення гірничих робіт проведення виробок здійснюється з застосуванням струсного висадження або в режимі струсного висадження. Це суттєво знижує техніко-економічні показники шахти, а сам спосіб не задовольняє сучасним вимогам інтенсифікації виробництва. Тому ведуться роботи зі створення безпечного, ефективного і технологічного способу запобігання раптових викидів.

Велика група розроблюваних способів заснована на вібраційному впливі на пласт при який провадиться обробка вугільного масиву вібраторами, встановленими у вміщуючі породи, або у свердловини, пробурені на вугільний пласт. Розглядається можливість впливу одиничного імпульсу. Запропоновано спосіб віброударної обробки масиву.

Теоретично обгрунтовано спосіб розчинення вугілля через свердловини з метою різкого збільшення пластичності і рухливості системи вугільний пласт - вміщуючі породи.

НГА України розробляється спосіб витягу метану термічною обробкою.

Значна група розроблюваних способів заснована на нагнітанні рідини в пласт у різноманітних режимах робочого агента з метою зміни напружено-деформованого стана масиву. Розроблюється спосіб біологічного впливу на вугільний масив.

У розвиток цих напрямків значний вклад внесли фахівці Донецького державного технічного університету (ДонДТУ), Донецького вугільного інституту (ДонВУГІ), Донецького фізико-технічного інституту (ДонФТІ), Інституту геотехнічної механіки (ІГТМ), Інституту гірничої справи (ИГД им. А.А. Скочинского), Інституту прикладної механіки (ІПМ), Інституту технічної теплофізики (ІТТ), Комплексного науково-дослідного і проектно-конструкторського інституту з проблем Центрального району Донбасу (ДонНДІ), Макіївського науково-дослідного інституту (МакНДІ), Національної гірничої академії України (НГАУ), Східного науково-дослідного інституту (ВостНИИ) та інші.

Проте ефективне використання запропонованих способів у промисловості стримується рядом істотних причин.

Найбільш перспективним напрямком у створенні способів запобігання викидів вугілля і газу є використання гідродинамічного впливу на пласт через свердловини, при якому одночасно здійснюється руйнація вугілля, витяг його з масиву, дегазація і зволоження вугільного пласту. Ідея впливу вперше була висловлена Кульбачним А.М. і Печуком І.М. і розвинута Колоколовим О.В., Панасенко Н.Ф., Зоріним А.Н., Колесниковим В.Г. і Софійським К.К. Застосування цієї ідеї дозволило створити способи запобігання викидів вугілля і газу при скресанні вугільних пластів і зниження викидонебезпечності у нижній частині щитових лав.

Подальший розвиток ця ідея може знайти в розробці способу запобігання викидів при проведенні виробок по викидонебезпечних вугільних пластах, але умови застосування впливу при проведенні пластових виробок суттєво відрізняються від умов його застосування під час скресання і у нижній частині щитових лав. Тому необхідно розробити параметри цого способу згідно з особистостями його використання.

Розділ 2. Дослідження і розробка моделі процесу гідродинамічного впливу для запобігання раптових викидів вугілля і газу. З огляду на досвід застосування гідродинамічного впливу при скресанні крутих вугільних пластів і базуючись на особливостях фізико-механічних властивостей вугілля, на базі механіки пористих газонасичених середовищ і механіки руйнації розкрито фізичну сутність процесу впливу, що полягає в прикладенні до вільних поверхонь вугільного пласта знакозмінних навантажень, які додаючись до сил гірського тиску, чинять роботу з руйнації вільних поверхонь і утворенню більш широкої системи тріщин, сприяючи подальшому розвитку процесу впливу. При цьому відбувається інтенсивна дегазація вугільного пласта і його переведення в невикидонебезпечний стан.

Розроблено математичну модель процесу з урахуванням деформацій вугільного пласта при закачуванні і скиданні тиску рідини, у результаті чого змінюються фільтруючий обсяг й ефективна пористість пласта (рисунок 1). Рух рідини у вугільному пласті в цьому випадку описується рівнянням:

,

де - коефіцієнт фільтрації середовища у вільному стані, м/с;

- пористість середовища у вільному стані;

- модуль подовжньої пругкості;

- коефіцієнт Пуассона;

- об'ємна вага вищележачих порід, Н/м³;

- глибина залягання вугільного пласта, м;

- коефіцієнт бічного розпору;

- тиск закачаної рідини, Па.

Рисунок1 Зміна пористості пласта у залежності від тиску рідини

Виходячи з цього отримані силова й енергетична умови руйнації вугільного пласта, з котрих очевидно, що енергія, необхідна для руйнації вугілля пропорційна обсягу закачаної в пласт рідини. З урахуванням цього отримано наукове положення, яке полягає в тому, що час, необхідний для нагнітання рідини у вугільний пласт, визначається з виразу:

, с,

де - час i-ого скидання, с;

- потужність пласта, м;

і - діаметр заповненою рідиною частини вугільного пласта при (i+1)-ому та i-тому циклах відповідно, м;

- витрата рідини, м³/с;

- пористість вугілля, як функція тиску.

На підставі цих рівнянь були виконані розрахунки, отримані залежності, що характеризують окремі елементи процесу впливу, і визначені значення параметрів цього впливу.

Розділ 3. Визначення ефективного фільтруючого обсягу вугілля при запобіганні раптових викидів гідродинамічним впливом. З метою уточнення параметрів гідродинамічного впливу визначена енергія зв'язку рідини з пористою поверхнею вугілля. В основі дослідження лежить непрямий метод визначення енергії зв'язку різноманітних видів вологи, заснований на закономірностях процесу сушіння капілярних тіл. Термографічний метод аналізу форм зв'язку вологи з матеріалом дозволяє характеризувати кінетику послідовного видалення різноманітних видів вологи по сингулярних точках на термограмі сушіння й оцінити енергетичну сторону процесу. Для одержання достовірних даних була використана установка, що складається із сушильної камери, термістерного датчика і торсіонних ваг. Були отримані дані про зміну маси і температури вугільних зразків при сушінні, по яких оцінено вологовміст й енергію зв'язку зразка з рідиною. З огляду на те, що в період постійної швидкості сушіння при випарі вільної вологи розірвання зв'язку вологи з матеріалом не відбувається і виходячи з рівняння теплового балансу при рівності теплових потоків у кожен відрізок часу, отримано:

, Дж/кг,

де - енергія зв'язку води зі зразком, Дж/кг;

- зміна маси зразка за час , кг;

- час, за який до обводненого зразка підводжується тепло, с;

- питома теплоємність, Дж/кгград.;

- маса зразка, кг;

- зміна температури зразка за час , град.;

- питома теплота випару вільної води при температурі досліду, Дж/кг;

і - позначення першого і другого періоду сушіння відповідно.

На підставі отриманих даних побудована енергограма сушіння, що має характерні ділянки, аналіз яких указує на послідовне видалення вологи різноманітних видів. Беручи до уваги характер зміни величини енергії зв'язку в залежності від діаметра капіляра визначено, що циклічний рух рідини відбувається в капілярах із радіусом не менше 5,2 10^-6 м, а капіляри з меншим діаметром заповнюються робочим агентом при подачі рідини в свердловину і при циклічному впливі перешкоджають руху по ним як рідини, так і газу. На основі проведених досліджень також встановлено, що адсорбційна й адгезійна волога не надає якогось суттєвого впливу на процес гідродинамічного впливу, а зменшення змочуваємості пласта потребує підвищення різниці між тисками нагнітання і скидання або зменшення часу скидання для виконання критеріїв руйнації.

Розрахунки зроблені для показника надійності 90% і коефіцієнта варіації 30% за допомогою зворотної інтерполяції. Відносна похибка не перевищує 20%.

Розділ 4. Експериментальні досдідження гідродинамічного способу запобігання раптових викидів вугілля і газу при проведенні пластових виробок. Гідродинамічний вплив здійснюється таким чином. На вугільний пласт через уміщуючі породи буриться свердловина (рисунок 2) в який встановлюється обсадна труба, через яку у вугільну частину свердловини подається рідина під тиском до 7 МПа. Після цього здійснюється скидання тиску за час не перевищуючий часу зворотної фільтрації. У результаті відбувається руйнація вугілля в присвердловинній частині і розвиток системи тріщин у пласті. Багатократне повторення циклів подачі-скидання супроводжується розростанням руйнації в глибину пласта.

Для реалізації способу запобігання раптових викидів застосовується наступне устаткування: буровий верстат, насосна установка для подачі рідини в свердловину й пристрій гідродинамічного впливу на вугільний пласт. Пристрій гідродинамічного впливу (патент на винахід UA 19956) призначено для динамічного впливу на присвердловинну частину вугільного пласта, створення в ній знакозмінних навантажень, руйнації вугілля і його транспортування разом із газом, що виділився, у підготовчу виробку. Розраховано основні вузли пристрою, зроблено його модифікацію з метою підвищення надійності і безаварійності, визначено організацію робіт із монтажу й експлуатації засобів гідродинамічного впливу.

Встановлено залежність горизонтального кута закладення свердловини від гірничо-геологічних і гірничо-технічних умов.

Розвантажена зона пласта визначається за результатами поінтервальних вимірів газовиділення. Вплив вважається ефективним, якщо розмір зони розвантаження перевищує розмір заходки не менше ніж на 1,3 м. Після кожного циклу прохідницьких робіт перед буравленням шпурів для зарядів ВР провадиться черговий контроль ефективності противикидного заходу.

Розраховано змінний графік організації робіт і графік виконання робіт на проведення одного противикидного заходу.

Виходячи з розрахованого радіусу ефективного впливу отримано наукове положення, яке полягає в тому, що запобігання раптових викидів вугілля і газу при проведенні пластової підготовчої виробки забезпечується витягом з вугільного пласту обсягу вугілля, який визначається з виразу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 Розташування контрольних шпурів і технологічної свердловини для проведення гідродинамічного впливу на пласт k₈ - “Каменка” на ш. ім. Ф.Е. Дзержинського 1 - контрольні шпури; 2 - технологічна свердловина

V' = 0,16 m [(12,51 + l_y cos)/(16 + l_y cos)],

де m - потужність пласта, м;

l_y - довжина вугільної частини технологічної свердловини, м;

- вертикальний кут закладення технологічної свердловини, м.

Описано заходи щодо забезпечення безпеки робіт.

Гірсько-експериментальні роботи проводилися в у вибоях відкочувльних штреків горизонту 1160 і 1026 м по пластах l₅ - “Солоний” і k₈ - “Каменка” ш. “Північна” та ім. Дзержинського ВО “Дзержинськвугілля”.

Гідродинамічний вплив здійснювався як через повстаючі, так і через падаючі свердловини.

Здійснено комплекс досліджень, у результаті яких отримані дані про зміни пластового тиску газу і кількості витягнутого через свердловину вугілля (рисунок 3), концентрації метану у вибої виробки і на вихідній струмені в процесі гідродинамічного впливу, а також дані, що свідчать про зміни здаваємих електричних опорів вугілля й вміщуючих порід і початкової швидкості газовиділення зі шпурів в обробленій зоні пласта. Зменшення пластового тиску газу до 0,1 - 0,7 МПа, витягнення з пласту через свердловину 2 - 13 т вугілля, зниження концентрації метану у вибої виробки під час гідродинамічного впливу до 0 - 0,3% і на вихідному струмені у 1,5 - 2 рази при проведенні виробки свідчать про ефективний вплив гідродинамічного способу запобігання раптових викидів. Це підтверджується й аналізом змін здаваємих електричних опорів вугілля і породи, який вказує на розвантаження та зволоження вугільного пласта. Отримані дані підтверджують, що гідродинамічний вплив призводить до цілого комплексу змін у стані гірського масиву, що дозволяє запобігти раптові викиди вугілля і газу. Основними з цих змін є зменшення максимальних значень стискальних напруг, розосередження зони опорного тиску від проведеної виробки, збільшення пористості вугілля, дегазація і зволоження вугільного пласта.

Рисунок 3 Зміна пластового тиску газу і кількості витягаємого вугілля під час гідродинамічного впливу

На підставі результатів проведених досліджень сформульовано наукове положення - при гідродинамічному впливі на вугільний пласт через свердловину, точка входу якої в пласт віддалена на відстань 8 - 10 м від оголеної поверхні, забезпечується переведення вугілля в невикидонебезпечний стан впродовж не менше 16 м у напрямку руху підготовчої виробки, а максимум опорного тиску в обробленій зоні зменшується за рахунок витягу вугілля, зволоження і дегазації цієї зони.

У результаті застосування гідродинамічного впливу в невикидонебезпечний стан переведено 5 небезпечних зон вугільних пластів загальною протяжністю 157 м.

Головні одержані результати експериментальних робіт наведено в таблиці 1.

Таблиця 1

Основні результати експериментальних робіт

Параметри	Дата проведення експерименту
	Лютий 1993 р.	Травень 1994 р.	Липень 1994 р.	Грудень 1995 р.	Червень 1996 р.
Шахта	“Північна”	ім. Дзержинського
Пласт	l5	k8
Пластовий тиск газу до впливу, МПа: - верхній шпур; - нижній шпур	1,7 1,6	1,3 1,5	1,2 1,4	1,1 1,1	1,5 1,8
Пластовий тиск газу після впливу, МПа: - верхній шпур; - нижній шпур	0,7 0,6	0,3 0,4	0,3 0,3	0,3 0,5	0,1 0,1
Початкова швидкість газовиділення після впливу, л/хв:	0,3	0,3	0	0	0
Розмір розвантаженої зони, м	22	40	37	30	28
Час впливу, год	6,5	7,5	6,5	3,3	7
Максимальний тиск у свердловині, МПа	5	3	3	4,5	6
Кількість циклів	90	165	86	33	46
Кількість витягнутого вугілля, т	9	13	9	2	7
Максимальна тривалість циклу, хв	5 - 10	5 - 10	5 - 10	5 - 7	8 - 15

Обробка експериментальних даних здійснювалась методами математичної статистики для показника надійності 95%. Відносна похибка знаходилася в межах 17%.

Розділ 5. Параметри гідродинамічного способу запобігання викидів, область застосування, технологічна схема, економічна ефективність і перспективи розвитку. На підставі проведених досліджень отримано параметри гідродинамічного способу запобігання раптових викидів вугілля і газу при проведенні виробок і визначено область застосування. Товщина порідної пробки не повинна бути менше 5 м. Тиск подаваної в пласт рідини - не більш 7 МПа і не менше 2 МПа. Перепад тиску складає 2 - 7 МПа. Глибина проникнення рідини - 0,2 - 0,3 м за кожний цикл впливу. Грузькість робочої рідини не менше 10^-3 Пас. Час відкриття свердловини - від 0,01 до 0,1 с. Темпи подачі рідини - 0,04 - 0,06 м³/хв. Час нагнітання 1,5 - 25 хв. Тиск скидання не перевищує 4 МПа. Час скидання знаходиться в межах від 1 до 5 хв. Кількість циклів для ініціювання руйнації - від 5 до 20. Повна кількість циклів - не більше 165. Тривалість циклу складає 5 - 30 хв. Діаметр технологічної свердловини в порідній частині не менше 0,12 м. Кількість технологічних свердловин на виконання одного заходу - 1. Довжина свердловини не менше 8 м. Відстань від устя свердловини до пласта - не менше 0,7 м. Вертикальний ріг буравлення не менше 8⁰. Кількість контрольних шпурів довжиною 6 м - 2. Час на застосування засобу - не більш 3 діб, у тому числі: на прогноз і установку манометрів - не більш 2 год, на буравлення свердловини - не більш 9 год, на проведення впливу - не більш 6 год, на прибирання вугілля і демонтаж устаткування - не більш 5 год і на контроль ефективності - не більш 1 год. При цьому періодичність впливу складає 12 діб. Для ефективного протікання процесу вугільний пласт повинен мати коефіцієнт проникності не менше 10^-14 м², коефіцієнт фільтрації не менше 8,64 м/доб., пористість не менше 4%, газоносність не менше 5 м³/т і межу тривкості вугілля на розрив не більш 0,5 МПа. При цьому забезпечується витяг вугілля з оброблюваної зони до 20%, збільшення пористості вугілля і зниження пластового тиску газу до величини меншої 0,5 МПа, а розміри обробленої зони становлять не менше 16 м по простяганню і 12 м по повстанню і падінню пласта. Швидкість газовиділення в цій зоні не перебільшує 0,1 л/хв.

Розроблено технологічну схему підготовки і відпрацювання по простяганню вугільних пластів потужністю 0,6 - 1,5 м із кутами падіння більш 35, яка ввійшла до альбомів “Технологические схемы разработки незащищенных особовыбросоопасных пластов Донецкого бассейна” і “Технологические схемы ведения горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа”.

Дана схема дозволяє значно підвищити техніко-економічні показники підготовки і відпрацювання вугільних пластів і забезпечити безпеку ведення гірничих робіт. При існуючій на сьогоднішній день технології підготовки і відпрацювання виймальних ділянок застосування гідродинамічного впливу в якості противикидного заходу в підготовчій виробці дозволяє знизити витрати на профілактику раптових викидів приблизно в 2,2 рази при зберіганні темпів ведення очисних робіт. Приведені витрати на гідродинамічний вплив складають 21,4 коп./т. Очікуваний економічний ефект - не менше 25,6 коп./т. Приймаючи до уваги, що застосування впливу дозволяє підвищити темпи проведення підготовчої виробки в 2,5 рази і дає можливість збільшити продуктивність очисного вибою, очевидно подальше зниження приведених витрат на розроблюваний спосіб запобігання викидів. Впровадження розробленої технологічної схеми дозволить отримати річний економічний ефект 54,2 тис. грн. на кожну очисну ділянку.

Приймаючи до уваги отримані при проведенні дослідження результати представляється доцільним застосування гідродинамічного впливу для запобігання раптових викидів при проведенні підготовчих виробок по положистих і похилих вугільних пластах і при скресанні положистих і похилих викидонебезпечних пластів, запобігання раптових викидів і дегазації кінцевих і прилягаючих до них ділянок лав, побіжного видобутку вугілля при проведенні пластових виробок і побіжного видобутку газу. Встановлено доцільність застосування способу запобігання викидів в іншіх вугільних басейнах.

Обгрунтованість і достовірність отриманих результатів підтверджується використанням апробованих методів досліджень, вимірювальних пристроїв і апаратури, збіжністю даних теоретичних та експериментальних робіт і статистично надійним об'ємом проведених досліджень (показник надійності не менш 90%, а відносна похибка знаходиться в межах 20%).

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна для вугледобувної галузі задача підвищення безпеки праці і збільшення темпів проведення виробок, що полягає в науковому обгрунтовані й розробці параметрів гідродинамічного способу запобігання раптових викидів вугілля і газу при проведенні пластових виробок.

У результаті проведених робіт отримані наступні підсумкові наукові висновки і практичні результати:

1. Вперше розкрито фізичну сутність гідродинамічного впливу з урахуванням сил гідравлічного тиску закачуваної рідини і розроблено математичну модель процесу руйнації вугілля в якій встановлено основні закономірності зміни фільтраційних характеристик пласта в залежності від тиску в свердловині. Визначено, що необхідний перепад тиску для руйнації вугілля обернено пропорційно залежить від модуля Юнга вугілля і дрібно-лінійно - від пористості, коефіцієнту Пуассона, коефіцієнту бічного розпору і глибини залягання пласта, а енергія, яка витрачається на руйнацію залежить від змочуваємості і диференційної пористості вугілля і кількості закачаної в пласт рідини;

2. Вперше встановлено, що при збільшенні максимального тиску нагнітання зменшується необхідний для руйнації вугілля перепад тиску в свердловині під час скидання рідини, а час нагнітання рідини в пласт лінійно залежить від часу скидання в попередньому циклі, потужності пласта і діаметра оброблюваної зони і гіперболічно - від темпів подачі рідини;

3. Вперше визначено, що циклічний рух рідини при гідродинамічному впливі здійснюється в капілярах діаметром 5,2 10^-6 м. Капіляри меншого діаметру заповнюються рідиною під час нагнітання, а при скиданні тиску вугілля утримує цю рідину, що чинить опір розширюющомуся газу;

4. Вперше встановлено критерій ефективності гідродинамічного способу запобігання раптових викидів вугілля і газу при проведенні пластових виробок, який полягає в тому. що запобігання раптових викидів вугілля і газу забезпечується витягом із вугільного пласта обсягу вугілля, прямо пропорційного потужності пласта, довжині вугільної частини технологічної свердловини і косинусу вертикального кута закладення цієї свердловини;

5. Визначено, що при гідродинамічному впливі на вугільний пласт через свердловину, точка входу якої в пласт віддалена на відстань 8 - 10 м від оголеної поверхні, забезпечується переведення вугілля в невикидонебезпечний стан впродовж не менше 16 м у напрямку руху підготовчої виробки, а максимум опорного тиску в обробленій зоні зменшується за рахунок витягу вугілля, зволоження і дегазації цієї зони. При цьому гідродинамічний вплив може здійснюватись через свердловину, що не перебурює вугільний пласт, а лише досягає його найбільш викидонебезпечної пачки потужністю не менше 0,2 м;

6. Розроблено технологічну схему підготовки і відпрацювання по простяганню вугільних пластів потужністю 0,6 - 1,5 м із кутами падіння більш 35, в якій в якості противикидного заходу в підготовчому вибої застосовується гідродинамічний спосіб запобігання раптових викидів вугілля і газу. Схема рекомендована для розробки як схильних до викидів, так і особливо викидонебезпечних пластів Центрального району Донбасу;

7. Розроблено технічне завдання на створення керівного документа, програма і методика приймальних іспитів і тимчасовий посібник із запобігання раптових викидів вугілля і газу гідродинамічним впливом при проведенні підготовчих виробок”;

8. За допомогою гідродинамічного способу запобігання раптових викидів вугілля і газу при проведенні виробок переведено у невикидонебезпечний стан 157 м викидонебезпечних ділянок вугільних пластів l₅ - “Солоний” і k₈ - “Каменка” на ш. “Північна” та ім. Дзержинського ВО “Дзержинськвугілля”. При цьому темпи проведення підвищились в 2,5 рази, а економічний ефект становив 25,6 коп./т. Очікуваний річний економічний ефект від упровадження способу складає 54,2 тис. грн. на кожний очисний вибій.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Результаты экспериментальных исследований вибрационного воздействия системы гидравлических вибраторов на призабойную часть угольного пласта / К.К. Софийский, Е.Г. Барадулин, В.А. Нечитайло, В.А. Амелин, Д.П. Силин, В.В. Назарчук, М.А. Берлянт // Вибрационные эффекты в процессах добычи и переработки минерального сырья. - К.: Наук. думка, 1989. - С. 35 - 41. - (сб. научн. тр.).

2. Результаты исследований степени дегазации угольных пластов при гидродинамическом воздействии / Д.П. Силин, В.В. Зберовский, В.Г. Александров, В.Н. Жмыхов // Геотехническая механика. - Вып. 3. - Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины, 1997. - С. 179 - 180. - (Межведомственный сб. научн. тр.).

3. Силин Д.П. Способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа при проведении пластовых выработок // Сборник научных трудов НГА Украины. - №3. - Том 3. - Днепропетровск: НГА Украины, 1998. - С. 45 - 47.

4. Инициирование процессов разрушения угля при гидродинамическом воздействии / Д.П. Силин, В.А. Нечитайло, В.Н. Жмыхов, Э.Е. Чудовская // Геотехническая механика. - Вып. 5. - Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины, 1998. - С. 194 - 195. - (Межведомственный сб. научн. тр.).

5. Силин Д.П. Гидродинамический способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа при проведении подготовительных выработок // Геотехническая механика. - Вып. 9. - Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины, 1998. - С. 96 - 98. - (Межведомственный сб. научн. тр.).

6. Силин Д.П. Изменение напряженно-деформационного состояния угольного пласта гидродинамическим воздействием // Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий. - №5. - Днепропетровск: НГА Украины, 1999. - С. 177 - 179. - (Сб. научн. тр. НГА Украины).

7. Софийский К.К., Мучник Э.И., Силин Д.П. Исследование энергии связи рабочей жидкости с углем при гидродинамическом воздействии на пласт // Геотехническая механика. - Вып. 21. - Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины, 2000. - С. 97 - 101. - (Межведомственный сб. научн. тр.).

8. А.с. 1600439 СССР, МКИ Е 21 F 5 / 00. Устройство для гидродинамического воздействия на угольный пласт / В.А. Амелин, Е.Г. Барадулин, И.П. Демидов, В.А. Нечитайло, В.П. Портянко, Д.П. Силин, К.К. Софийский, Н.А. Шмелев (СССР). - №4445214 / 22 - 03; Заявлено 20.06.88; Зарегистрировано 06.12.88, ДСП.

9. А.с. 1686898 СССР, МКИ Е 21 Г 5 / 00. Способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа / Д.П. Силин, К.К. Софийский, Е.Г. Барадулин, В.И. Кузяра (СССР). - №4784243; Заявлено 16.01.90; Зарегистрировано 22.06.91, ДСП.

10. А.с. 1749560 СССР, МКИ F 15 В 21 / 12. Автоколебательный гидравлический вибратор / К.К. Софийский, А.Г. Червоненко, В.А. Нечитайло, Д.П. Силин (СССР). - №4782254; Заявлено 16.01.90; Опубл.23.07.92, Бюл. №27. - С. 129.

11. Гидродинамическое воздействие на выбросоопасный угольный пласт с целью добычи угля / К.К. Софийский, В.А. Нечитайло, Д.П. Силин, Е.О. Милис // II научная школа “Импульсные процессы в механике сплошных сред”. - Николаев: Ин-т импульсных процессов и технологий НАН Украины, 1996. - С. 200 - 201.

12. Механизм гидродинамического воздействия на угольный пласт с целью перевода его в невыбросоопасное состояние / Д.П. Силин, В.Г. Александров, Е.Д. Ивашкин, А.В. Аксенов // III научная школа “Импульсные процессы в механике сплошных сред”. - Николаев: Ин-т импульсных процессов и технологий НАН Украины, 1999. - С. 113 - 114.

13. Барадулин Е.Г., Нечитайло В.А., Силин Д.П. Способ виброимпульсного воздействия через вмещающие породы на газонасыщенные угольные пласты // Всесоюзн. научно-техническая конф. “Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений”. Тезисы докладов. - М.: МГИ, 1989. - С. 35.

АНОТАЦІЇ

Силін Д.П. Розробка параметрів гідродинамічного способу запобігання раптових викидів вугілля і газу при проведенні пластових виробок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.02 - підземна розробка родовищ корисних копалин. - Інститут геотехнічної механіки Національної академії наук України, Дніпропетровськ, 2001.

Дисертація присвячена питанням створення гідродинамічного способу запобігання раптових викидів вугілля і газу при проведенні пластових виробок по крутопадаючих пластах. У роботі подана нова математична модель процесу гідродинамічного впливу на пласт через свердловину, установлені залежності між змочуваємістю пласта і параметрами впливу, визначені умови застосування й основні параметри впливу. Розраховано основні вузли пристрою для гідродинамічного впливу. Розроблено параметри способу і технологічна схема запобігання раптових викидів при проведенні підготовчих виробок по незахищених викидонебезпечних пластах.

Ключові слова: раптовий викид, гідродинамічний вплив, тиск рідини, проведення виробки, руйнація, свердловина, спосіб запобігання, вугільний пласт, енергія зв'язку.

Силин Д.П. Разработка параметров гидродинамического способа предотвращения внезапных выбросов угля и газа при проведении пластовых выработок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - подземная разработка месторождений полезных ископаемых. - Институт геотехнической механики Национальной академии наук Украины, Днепропетровск, 2001.

Диссертация посвящена созданию гидродинамического способа предотвращения внезапных выбросов угля и газа при проведении пластовых выработок по крутопадающим пластам. В работе представлен обзор существующих и разрабатываемых способов борьбы с выбросами угля и газа, обоснован выбор применения гидродинамического воздействия для перевода пласта в невыбросоопасное состояние.

Раскрыта физическая сущность и разработана новая математическая модель процесса гидродинамического воздействия, учитывающая деформацию угольного пласта при движении в нем закачиваемой жидкости в результате чего изменяется фильтрующий объем и эффективная пористость пласта. Приведено уравнение движения жидкости, силовой и энергетический критерии разрушения, установлено время, необходимое для нагнетания жидкости в пласт, выполнены расчеты и получены зависимости отдельных элементов процесса от горно-геологических условий, определены численные значения параметров воздействия.

Определена энергия связи жидкости с пористой поверхностью угля, установлены размеры капилляров по которым осуществляется движение жидкости при воздействии и зависимости между смачиваемостью пласта и параметрами воздействия.

Определены область применения и параметры гидродинамического способа предотвращения выбросов при проведении пластовых выработок: толщина породной пробки, давление подаваемой жидкости, перепад давления, вязкость жидкости, время нагнетания и открывания скважины, темпы подачи, давление и время сброса, количество циклов на инициирование разрушения, полное количество циклов, продолжительность цикла, диаметр технологической скважины, количество и длина скважин, в том числе породных и угольных частей, расстояние от устья скважины до пласта, вертикальный и горизонтальный углы заложения, количество контрольных шпуров, время на применение способа, в том числе на прогноз и установку манометров, на бурение, на проведение воздействия, на уборку угля, демонтаж оборудования и на контроль эффективности.

Установлен критерий эффективности способа по количеству извлеченного из скважины угля. Установлено, что размеры обработанной зоны составляют не менее 16 м по простиранию и 12 м по восстанию и падению пласта, а скорость газовыделения в ней не превышает 0,1 м/мин.

Описаны средства реализации способа, рассчитаны основные узлы устройства гидродинамического воздействия и приведены его основные технические характеристики, а также организация работ по монтажу и эксплуатации оборудования.

Представлены результаты экспериментальных работ по предотвращению выбросов при проведении пластовых выработок. Работы включали в себя определение выбросоопасной зоны пласта и подготовку участка к проведению воздействия, непосредственно воздействие, осуществляемое через технологическую скважину, пробуренную из забоя подготовительной выработки по вмещающим породам, приведение участка к готовности для проведения выработки буровзрывным способом и инструментальные измерения и визуальные наблюдения за состоянием угольного пласта при проведении выработки по обработанной зоне. Установлены зависимости параметров скважины от горно-геологических и горно-технических условий. Приведен порядок и содержание работ по выполнению воздействия и определению его эффективности и размеров разгруженной зоны пласта. Рассчитан сменный график организации работ и график организации работ на проведение одного противовыбросного мероприятия. Описаны меры по обеспечению безопасности работ. С целью инициирования разрушения угля в прискважинной зоне было применено поочередное нагнетание в скважину жидкости и газа. Приведены данные об изменении пластового давления газа, количества извлеченного угля, концентрации метана в забое и на исходящей струе, кажущихся электрических сопротивлений угля и вмещающих пород и начальной скорости газовыделения из шпуров. Установлено, что гидродинамическое воздействие приводит к комплексу изменений в состоянии горного массива, в том числе, уменьшению максимальных значений сжимающих напряжений, рассосредоточению зоны опорного давления от проводимой выработки, увеличению пористости угля, дегазации и увлажнению угольного пласта, что позволяет предотвратить внезапные выбросы угля и газа. В результате работ в невыбросоопасное состояние было переведено 5 выбросоопасных зон общей протяженностью 157 м.

Разработана технологическая схема подготовки и отработки по простиранию угольных пластов мощностью 0,6 - 1,5 м с углами падения более 35⁰, позволяющая снизить затраты на профилактику внезапных выбросов в 2,2 раза при сохранении темпов очистных работ. Ожидаемый экономический эффект составляет 25,6 коп/т. Применение способа позволяет повысить темпы проведения выработки в 2,5 раза.

Ключевые слова: внезапный выброс, гидродинамическое воздействие, давление жидкости, проведение выработки, разрушение, скважина, способ предотвращения, угольный пласт, энергия связи

Silin D.P. The working out of parameters of a hydrodynamic way of preventing of sudden outbursts of coal and gas at a drivage on coal seam. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 05.15.02 - underground extraction of mineral deposits. - Institute of geotechnical mechanics of a National academy of sciences of Ukraine, Dniepropetrovsk, 2001.

The thesis is devoted to problems of creation of a hydrodynamic way of preventing of sudden outbursts of coal and gas at realization of pore developments on steep seams. In activity the new mathematical model of process of hydrodynamic impact on a seam through well is submitted, the relations between wettability of a seam and parameters of effect are established, the conditions of usage and main specifications of effect is certain. The main clusters of the device for hydrodynamic impact are counted. The members of know-how and technological scheme of preventing of sudden outbursts are designed a way, at realization of development workings on the unsheltered outburst-prone seams.

Keywords: a sudden outburst, hydrodynamic impact, fluid pressure, realization of development, destruction, well, way of preventing, bench coal, bond energy.

Размещено на Allbest.ru