CC BY
31
© О.В. Скопинцева, С.В. Иляхин, 2011
УДК 377.44
О.В. Скопинцева, С.В. Иляхин
НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОГО МЕТОДА СНИЖЕНИЯ ПЫЛЕВОЙ И ГАЗОВОЙ ОПАСНОСТЕЙ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ
Рассмотрены теоретические основы движения газожидкостных смесей в пористых средах. Определены условия вытеснения газа жидкостью из микропо-ры переменного диаметра. Описан механизм комплексного снижения пылевой и газовой опасностей шахт при обработке угольных пластов газонаполненными растворами ПАВ.
Ключевые слова: борьба с пылью, увлажнение пластов, метан, поверхностноактивные вещества, воздушно-механическая пена.
процессе предварительного увлажнения угольных пластов нарушается равновесное состояние в системе «уголь - метан». Под воздействием давления жидкости свободный газ вытесняется из крупных трещин и пор в более мелкие, где газ находится в сорбированном и в свободном состоянии.
В каждый момент времени функция распределения давления (Р) в жидкости будет удовлетворять уравнению фильтрации капельной жидкости
д дР д дР д дР div \KgradP (х, у, z, t)] = — (К —) + — (К —) + — (К —) (1)
дх дх ду ду дz дz
где К(х, у, z) - проницаемость.
Известно небольшое число работ, посвященных замещению метана, вмещаемого угольными пластами, другими газами. Весьма слабо адсорбируются с углем по механизму физической адсорбции инертные газы: гелий, аргон, криптон, ксенон, а также азот. Диоксид углерода адсорбируется углем гораздо лучше, чем метан. Вытеснение метана диоксидом углерода в угольном пласте происходит как из фильтрующего, так и из сорбционного объема угля.
Увлажнение угольного массива газонаполненными растворами сопровождается совместным движением двух фаз по капиллярам. По структуре смеси режим течения в капилляре можно определить как пузырьковый режим, который имеет место при малых газосо-
держаниях потока и характеризуется движением газа в виде отдельных, малых по сравнению с радиусом капилляра, пузырей.
Законы движения газожидкостных смесей сложнее законов движения однородных жидкостей в трубах и изучены хуже. Если при движении однофазного потока приходится иметь дело с одним опытным коэффициентом трения, то при движении двухфазного потока газожидкостных смесей приходится прибегать к нескольким опытным характеристикам потока, которые, в свою очередь, зависят от разнообразных условий движения.
Рассмотрим простую линейную систему движения газожидкостной смеси. При продвижении фронта воды в пласте примем поршневое вытеснение газа водой. В области, занятой водой и газом, течение описывается уравнением Лапласа, которое в рассматриваемом случае линейного течения имеет вид
д2Р
^г, (2)
дх2
где Р - давление на разделе «газ - вода».
Градиент давления
дР
дР = Рз, (3)
дх
где Рз- давление на забое скважины, МПа; Рпл- пластовое давление на границе контура питания, МПа; L - длина трещины, м.
На передвижной границе при х^ будет соблюдаться динамическое условие
-шё1=К (дР -] =К_ (дР. -], (4)
^ ^газ К дх )х = , Неода Кдх )
где , - протяженность трещины, заполненной газом, м; К - проницаемость пористой среды, м2; ^ - вязкость текучего, Па с; т -фильтрующий объём пор.
Закачиваемая в пласт под высоким давлением газожидкостная смесь с добавками ПАВ, перемещаясь по трещинам и макропорам, будет увеличивать их гидропроводимость и вытеснять находящийся в них свободный метан, блокируя заключенные между ними блоки угля. После прекращения закачки газожидкостного раствора ПАВ и снятия давления с поверхности скважин блокированные жидкостью метан и инертный газ оказываются под воздействием капиллярных сил. Капиллярная пропитка является функцией дав-
ления, которая для одного капилляра определяется формулой Лапласа
(5)
Условия вытеснения газа жидкостью из микропоры переменного диаметра
где Рк - капиллярное давление, Н/м2; 2д поверхностное натяжение жидкости, Н/м; гк - радиус капилляра, м; С - краевой угол смачиваемости, град.
Для проникновения смачивающей жидкости в микропористую структуру угля необходимо, чтобы капиллярное давление превышало пластовое. При этом возможны две схемы движения жидкости:
1) жидкость из фильтрующего объема проникает в «тупиковую» или «открытую» пору постоянного диаметра;
2) жидкость попадает в «открытую» пору переменного диаметра.
При первой схеме газ сжимается жидкостью до давления поверхностного натяжения в газовый пузырек, а при второй - передвигается по поре в сторону уменьшения ее диаметра (рис.). Уменьшение радиуса поры на границе раздела фаз вызывает уменьшение радиуса кривизны на величину ДR2 и создание добавочного давления поверхностного натяжения, направленного в сторону уменьшения поры.
Величина добавочного давления поверхностного натяжения, способствующего вытеснению газа из микропоры, рассчитывается по формуле
1
Я'і
(6)
1 У
где Rl, Р2 - радиусы кривизны на границе раздела фаз газ - жидкость, м; Рк1 - давление поверхностного натяжения в случае газового пузырька на границе I, Па; Рк2 - давление поверхностного натяжения в случае газового пузырька на границе II, Па.
Действительно, в случае уменьшения радиуса поры нижеприведенное выражение будет больше нуля:
— - —, (7)
Я 2 Я,
Ч
и, следовательно, избыток давления поверхностного натяжения вытесняет газ в сторону меньшего диаметра поры. При равенстве
Я1 = Я2 ^АРк, (8)
которое соответствует положению газового пузырька в цилиндрической поре постоянного диаметра, добавочное давление ДРк=0 и газовый пузырек блокируется в поре жидкостью.
Предлагаемый в диссертационной работе газонаполненный раствор ПАВ представляет собой растворенный в воде пенообразователь с концентрацией от 0,05 до 5% в объеме удельного расхода жидкости при предварительном увлажнении угольных пластов (от 10 до 30 л/т), в котором растворяются газы, например диоксид углерода (С02) или азот (N2). Полученная рабочая жидкость нагнетается в скважину под давлением от 1,5 до 30 МПа. После насыщения угольного массива в течение времени от 24 до 96 ч массив разрушают, например, рабочим органом комбайна и орошают водой (по типу форсунки на комбайне).
Высвобождаемый при разрушении угля газ (С02 или N2) и метан, находящийся в угле в свободном и сорбированном состоянии, взаимодействуют с пенообразователем и образуют воздушномеханическую пену, которая изолирует разрушенную горную массу и препятствует пылевыделению в атмосферу выработок.
Таким образом, эффективность обеспыливающей обработки угольного массива газонаполненными растворами ПАВ обусловлена снижением пылеобразующей способности угля и повышением эффективности пылеулавливания при отбойке угля за счет воздушно-механической пены, формируемой как в микротрещинах угольного массива, так и при его отбойке на поверхности отбитого угля. Благодаря применению технологии обработки угля газонаполненными растворами ПАВ (ОГНР) происходит комплексное снижение пылевой и газовой опасностей угольных шахт.
1. Ножкин Н. В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. -М.: Недра, 1979.- 271с.(346).
2. Васючков Ю. Ф. Физико-химические способы дегазации угольных пластов. - М.: Недра, 1986, 255 с.
3. Сластунов С. В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. - М.: Изд-во МГГУ, 1996, 273 с.
4. Скопинцева О. В., Прокопович А. Ю., Савельев Д. И. Исследование влияния предварительного увлажнения угольного пласта на показатели его метановой опасности. - Метан: Сб. научн. трудов по материалам симпозиума «Неделя горняка-2008» // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - № ОВ 4. - С.267-272.
5. Скопинцева О. В., Савельев Д. И. Пылеподавление пеной на горных предприятиях. - Аэрология: Сб. научн. трудов по материалам симпозиума «Неделя горняка-2009» // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. -№ ОВ 13.-С. 221-227. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------------------------
Скопинцева О.В. - кандидат технических наук, доцент, Московский государственный горный университет, [email protected];
Иляхин С.В. - доктор технических наук, профессор, Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе, [email protected].
