Исследование влияния предварительного увлажнения угольного пласта на показатели его метановой опасности Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках.- Материалы XYI Международной научной школы им. академика С.А. Хри-стиановича. - Симферополь: ТНУ им. В.И.Вернадского, 2006.- С. 188-193.

2. Минеев С.П., Прусова А.А., Корнилов М.Г. Активация десорбции метана в угольных пластах.- Днепропетровск: Вебер, 20007. - 252 с.

3. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н, Айруни А. Т. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. - М.: Из-во АГН, 2000. -517 с.

4. Бобин В.А. Сорбционные процессы в природном угле и его структура - М.: ИПКОН АН СССР, 1987.- 136 с.

5. Алексеев А.Д., Василенко Т.А., Волошина Н.И. Метан в ископаемых уг-лях.//Геотехническая механика: Межв. сб. научн. тр./ Институт геотехнической механики НАН Украины.- Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2003. - Вып. 42. - С. 186-198.

6. Минеев С.П., Прусова А.А., Корнилов М.Г. Оценка энергии волнового воздействия для активизации молекул метана в микропористом пространстве угольного вещества// Геотехшчна механжа: Мгжшд. Зб. наук. праць /1н-т Геотехшчно! мехашки НАН Украши.- Киев: Дншропетровськ, 2005, Вип.54. - С. 31-37.

7. Буркерт У., Эллинджер Н. Молекулярная механика. - М: Мир, 1986. - 364

с.

8. Минеев С.П., Прусова А.А., Корнилов М.Г. Динамика адсорбции метана в микропорах угля// Геотехтчна механжа: Мгжтд. Зб. наук. праць /1н-т Геотехтчно! механжи HAH Украши,- Киев. - 2006, Вил. 67. - С. 179-184. ШЪ

— Коротко об авторах -

Минеев С.П. - доктор технических наук, профессор, Прусова А.А. - кандидат технических наук, Корнилов М.Г. - мл. научный сотрудник, ИГТМ НАН Украины.

--© О.В. Скопинцева, Д.И. Савельев,

2008

О.В. Скопинцева, Д.И. Савельев

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УВЛАЖНЕНИЯ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА НА ПОКАЗА ТЕЛИ ЕГО МЕТАНОВОЙ ОПАСНОСТИ

1Т'лагодаря пористой структуре массив угля проницаем для М.З жидкости и газа и способен вмещать некоторое количество ее в порах и трещинах, что и определяет возможность искусствен-

266

ного увлажнения угольных пластов. Различные способы увлажнения сводятся к нагнетанию воды под давлением в пробуренные в угольном массиве и загерметизированные шпуры или скважины. В результате увеличения влажности угля достигается снижение запыленности воздуха при отбойке, погрузке и транспортировании. В ряде случаев при нагнетании происходит отжим угля, и крепость его уменьшается. Это позволяет применять менее энергоемкие способы отбойки, характеризующиеся меньшим пылеобразованием, что также сказывается на снижении запыленности воздуха в забое, и, следовательно, на безопасности труда и здоровье шахтеров.

Эффективность подавления пыли при увлажнении относительно невелика, и в забоях с большим пылеобразованием, как это имеет место на шахтах Кузбасса, применением одного увлажнения не может быть обеспечено требуемое снижение запыленности воздуха. Поэтому увлажнение рассматривается только как часть комплекса обеспыливающих мероприятий.

Известные способы увлажнения угля в массиве различаются, прежде всего, расположением шпуров или скважин для нагнетания воды и по этому признаку могут быть разделены на следующие группы: нагнетание воды через короткие шпуры, пробуренные из очистного забоя; нагнетание воды через скважины глубиной более 3м, пробуренные из очистного забоя; нагнетание воды через скважины, параллельные линии забоя и расположенные в призабойной части пласта; нагнетание воды через длинные скважины, пробуренные из опережающей подготовительной выработки.

Обобщенные показатели различных способов увлажнения, составленные на основании известных данных, представлены в таблице. Основными факторами и показателями, определяющими метановую опасность угольного пласта являются их степень метаморфизма, сорбционная способность, пористость, газопроницаемость, влажность, глубина залегания, угленасыщенность, гидрогеология и другие.

Установлено, что при внедрении в уголь рабочих жидкостей происходит вытеснение метана и замещение части его в сорбционном объеме угля, что определяется скоростью и временем движения жидкости по трещинам и порам угольного пласта. Введение в рабочую жидкость добавок поверхностно-активных веществ способствует увеличению скорости пропитки, а, следовательно, сокращению времени

267

дегазации пласта путем увеличения скорости вытеснения газа из сорбционного объема угля.

В настоящий момент имеется ряд существенных разногласий по поводу влияния увлажнения угля на его газовыделение. Поршневое вытеснение метана водой из макропор описано достаточно строго. Исходя из теоретических предпосылок, адсорбция воды на поверхности угля должна быть, по крайней мере, на три порядка выше адсорбции метана [1]. То есть с термодинамической точки зрения вода должна замещать метан в сорбционном объеме угля. Фактическое замещение метана водой зависит от скорости движения жидкости по порам и трещинам. Вытеснение (замещение) метана жидкостью в поровом и трещинном объеме возможно при следующих видах переноса жидкости в угле: вязком течении за счет градиентов внешних и капиллярных давлений в порах и трещинах; растекания по стенкам пор и трещин за счет физико-химических сил взаимодействия жидкости с углем; объемной (нормальной) диффузии молекул жидкости в газовой смеси с метаном в поровом пространстве угля под действием градиента концентраций или температур; молекулярной (кнудсеновской) диффузии; поверхностной диффузии молекул воды или другой жидкости по стенкам капилляров и трещин; капиллярной конденсации в микропорах. В процессе вязкого течения происходит «поршневое» вытеснение метана из трещин. Скорость течения определяется геометрическими размерами канала, градиентом давлений и вязкостью жидкости. Взаимодействие жидкости с углем в данном случае не существенно. В остальных видах переноса скорость процесса определяется в значительной степени взаимодействием поверхности угля с нагнетаемой жидкостью.

268

Характеристика способов предварительного увлажнения

Способ нагнетания воды

№ п/п Показатели Через короткие шпуры Через скважины, глубиной более 3м, пробуренные из очистного забоя Через скважины, параллельные забою и пробуренные в призабойной зоне Через длинные скважины

1. Глубина шпура или скважины, м 1,5-2,5 3-15 20-40 до 90

2. Длина фильтрующей части шпура или скважины, м 0,5-1,5 1-10 15-35 до 80

3. Диаметр шпура или скважины, мм 40-50 40-50 40-50 160

4. Расстояние между шпурами или скважинами, м 2-8 - - 10

5. Давление воды, МПа 0,5-10,0 5,0-28,0 1,0-2,0 до 9,2

6. Продолжительность нагнетания, мин 10-20 140-300 - 4800-28000

7. Средняя скорость нагнетания, л/мин 6-12 6-20 до 60 2-5

8. То же на 1м длины шпура или скважины, л/мин-м 6-12 1-2 до 3 0,03-0,08

9. Глубина увлажнения, м 1,5-5 до 20 1,7 1-7

10. Расход воды на шпур или скважину, л 50-300 500-4500 - 15000-30000

11. Удельный расход воды, л/т 5-15 4-5 - 17-19

12. Снижение запыленности воздуха, % 50-80 40 - 50-84

0,12

0,10

0,08

0,06

0,04

0,02

0,00

□ Исходный Д С=1,0 Д С=0 Ж С=0,75 - «- С=0,5 О С=0,15

^^ * ж*

^ *

£________„ - ^ " - - __— — ^ * - *

-

СН4

С2Н6

С3Н8

Рис. 1. Уголь обработанный при 25 °С, (ТГХ150 гр.)

Рис. 2. Уголь обработанный при 60 °С, (ТГХ 150гр.)

Для исследования взаимодействий в системе «уголь-жидкость-газ» нами был выполнен хроматографический анализ неувлажнен-ных образцов угля пласта Е5 и образцов угля этого же пласта, обработанных водным раствором смачивателя «Неолас» при температурах 20 и 60 °С. Для проведения опытов выбирались навески угля массой 10 г пласта Е5, размером фракции от 0,5 до 1,0 мм. Образцы смачивались раствором ПАВ «Неолас» следующих концентраций, %: 0; 0,15; 0,5; 0,75; 1,0. Всего было подготовлено 10 образцов: пять из них смачивали раствором с температурой 20 °С, другие 5 - раствором с температурой 60 °С. Время смачивания составило одни сутки. Затем был выполнен хроматографический анализ неувлажненных (исходных) и увлажненных образцов угля.

На рис. 1 приведены графики десорбции углеводородных газов (метана, этана, пропана) по их составу в зависимости от концентрации раствора смачивателя «Неолас»; уголь обработан при температуре 25 °С. На рис. 2 приведены аналогичные графики для угля, обработанного при температуре 60 °С. Результаты существенно отличаются тем, что при температуре обработки 60 °С для всех концентраций смачивателя остаточная газоносность угля для всех углеводородных газов уменьшилась по сравнению с необработанным углем. При температуре обработки 20 °С для концентраций смачивателя 0 и 1% остаточная газоносность для всех углеводородных газов увеличилась по сравнению с необработанным углем. Следовательно, произошло блокирование части углеводородных газов рабочим раствором в их сорбционном объеме.

Из приведенных результатов можно сделать вывод, что для смачивания угля лучше всего выбирать концентрации смачивателя «Неолас» от 0,15 до 0,5 % при температуре обработки массива до 25 °С.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. - М.: Недра, 1979. - 271 с.

2. Алексеев Ф.А., Войтов Г.И., Лебедев В.С. и др. Метан. - М.: Недра, 1978.310 с. ЕШ

— Коротко об авторах -

Скопинцева О.В. - доцент, кандидат технических наук,

Савельев Д.И. - аспирант

Московский государственный горный университет. -© в.ф. приходченко, н.ь. линейки.

СЮ. Приходченко, 2008

272