CC BY
23
СЕМИНАР 5
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© О.В. Смирнов, А.А. Шилов,
В.В. Дальниковский, 2001
УДК 622.235.5
О.В. Смирнов, А.А. Шилов,
В.В. Дальниковский
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ
ПОРОХОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ДАВЛЕНИЯ
п ной вентиляцией.
азвитие угольной промышленности неизбежно связано с увеличением глубины разработки и, как следствие этому, - увеличение природной газоносности угольных пластов и газообильности горных выработок.
В связи с этим, при ведении горных работ на больших глубинах, увеличивается число и количество остановок угольных шахт по причине их полного или частичного загазирования.
В настоящее время шахты Воркуты разрабатывают угольные пласты донной части месторождения с высокой природной газоносностью. Кроме того, на ряде глубоких шахт добыча угля осуществляется на морально устаревшем оборудовании. В связи с этим возрастает опасность неплановых остановок забоев, по причине отказа оборудования, загазиро-вание горных выработок, в связи с неудовлетворительным и недостаточным количеством подаваемого в шахту воздуха, т.е. нарушено нормативное проветривания горных выработок. Всё это, в свою очередь, приводит к повышению затрат на добычу, снижает производительность труда и увеличивает опасность ведения подземных горных работ.
Одним из основных способов защиты воздушной среды на угольных шахтах, создание комфортных и безопасных условий труда шахтёров, является инженерная дегазация угольных пластов, которая одновременно является инструментом для решения проблем безопасной разработки глубоких горизонтов угольных шахт и ресурсосберегающей технологией для создания комплекса инженерноэкономического и социально-экологического направления - угольный метан.
Инженерной дегазацией называется принудительное извлечение метана из угленосной толщи
путём применения инженерных средств для удаления его, минуя атмосферу горных выработок с целью создания безопасных и здоровых условий труда. При этом улучшаются техникоэкономические показатели добычи угля при утилизации метана [1].
Применение инженерной дегазации целесообразно в тех случаях, когда естественная (либо, искусственная) дегазация не обеспечивает снижения газоносности угленосной толщи до уровня, при котором выделяющийся газ разбавляется до безопасных концентраций руднич-
При современном уровне развития технологий добычи угля, - инженерная дегазация является неотъемлемой частью угледобычи для большинства газообильных шахт. Удельный вес газовых шахт в мире составил более 80 %. Доля шахт, метанообильность в которых свыше 15 м3/т велика и составляет около 70 %.
Применение инженерной дегазации снижает ме-танообильность выемочных участков позволяет значительно (более 1,3 ^1,8 раз) увеличить скорость проходки горных выработок и величину нагрузки на очистной забой, что в свою очередь снижает удельные затраты на единицу продукции.
По длительности и характеру привязки к горным работам можно выделить 5 видов дегазации [1]:
• заблаговременную, начинающуюся в отсутствие горных работ (3^5 лет);
• предварительную, проводимую из выработок действующего горизонта для участков, подлежащих разработке (1^3 года);
• опережающую, проводимую из действующих выработок для участков впереди фронта горных работ (до 1 года);
• совместную, проводимую в процессе горных работ (1^4 мес.);
• последующую, проводимую за фронтом горных работ (1^3 мес.).
Наиболее перспективным из всех видов дегазации можно считать заблаговременную дегазацию. Первые в мировой практики горного дела опытнопромышленные испытания заблаговременной дегазации проводились в Карагандинском бассейне и основывались на гидрорасчленении угольных пластов.
Технология гидрорасчленения основана на том, что при закачке рабочей жидкости в пласт с тем-
пом, превышающим естественную его приёмистость, происходит раскрытие и расширение естественных трещин экзогенного и эндогенного происхождения. При этом трещины соединяются в единую гидравлическую систему, ориентированную к скважине. По окончании процесса гидрорасчленения рабочая жидкость продвигается в глубь пласта за счёт физико-химических сил, а остальная удаляется. Раскрытые и соединенные со скважиной трещины заполняются десорбированным угольным метаном, который в дальнейшем поступает на поверхность.
Гидрорасчленению угольных пластов как самостоятельному региональному способу присущ ряд недостатков, основными из которых являются недостаточная глубина дегазации массива вследствие неравномерности зоны обработки пласта, резкое снижение его фазовой проницаемости водой для метана и ряд других. Для уменьшения этих недостатков возникла необходимость совершенствования метода гидрорасчленения угольных пластов с помощью ряда термогидродинамических и химических способов активного воздействия на угленосную толщу. В настоящее время эти работы ведутся в следующих направлениях:
• пневмотепловое воздействие;
• гидротепловое воздействие (примене-ние жидких теплоносителей);
• паротепловое воздействие (использова-ние в качестве теплоносителя пара);
• термохимическое воздействие.
Наш выбор в части поиска способов активных воздействий остановился на возможности раскрытия природной трещиноватости при помощи взрыва.
Зона влияния скважины при гидрорасчленении имеет эллиптическую форму, в первую очередь за счёт раскрытия главной природной системы трещин а, в последствии, вторичной - других систем трещин.
Поэтому для увеличения зоны влияния скважин, равномерности обработки массива, создания устойчивых к горному давлению вертикальных трещин, а также изменение формы зоны влияния скважины в более округлую предлагается совместить гидрорасчленение с импульсным воздействием на пласт. Эта технология заключается в том, что после закачки воды в скважину в зоне перфорации производится взрыв заряда ВВ.
Расчленение угольного пласта по природной трещиноватости и разрушение угля в прискважинной зоне при помощи взрыва зависит от многих факторов, главные из которых:
• физико-механические свойства угольного пласта;
• место расположение заряда относительно вскрытой части скважины;
• масса заряда (количество выделяемой при взрыве энергии и тип взрывчатого вещества);
• конструкция заряда или зарядов и способ их инициирования;
• количество операций, проводимых в скважине.
Технология воздействия пороховыми зарядами
на угольные пласты подразумевает раскрытие трещин, в которых находится жидкость, являющаяся волноводом или проводником, по которому импульс взрыва передаётся в глубь угольного пласта, раскрывая новые трещины и расширяя старые. Далее опять проводится закачка жидкости, так как какая-то часть воды продвинулась в глубь угольного массива и давление жидкости, созданное насосными установками на скважине, падает. После этого процесс повторяют в циклическом режиме.
Задачи, которые были поставлены перед воздействием пороховыми зарядами на нетронутый угольный массив, заключались в следующем:
• раскрыть природную (естественную) трещиноватость угольного пласта;
• создать систему устойчивых к горному давлению вертикальных трещин в массиве;
• создать систему новых трещин в прискважин-ной зоне, ориентированных к скважине.
В 1999 году на полигоне поля шахты «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» проводились опытно-промышленные работы по сжиганию пороховых генераторов ПГД.БК и отработке параметров гидроимпульсного воздействия на угольные пласты.
Шахта «Комсомольская» относится к сверхкате-горной по метану, отрабатывает донную часть Вор-кутинского месторождения. Природная газоносность угольных пластов возрастает с глубиной разработки и, достигла на горизонтах:
• минус 400 м- 14,0^21,5 м3/т (18^28,2 с учётом поправочного коэффициента 1,3);
• минус 620 м- 16,0^25,2 м3/т (20,7^33,0);
• минус 800 м- 17,3^27,0 м3/т (22,2^35,0) [4].
Практическая ценность воздействия на угольный
пласт пороховыми зарядами состоит в его способности создавать прирост трещинной пористости массива Ап [3]:
Ап—ахв ЬхГ,% (1)
где а и Ь ----- эмпирические коэффициенты; г -
относительное расстояние (в радиусах заряда гз). Значения коэффициентов а и Ь для углей примем равными наиболее близким по характеристикам углей пород: известняки-ракушечники.
Для зоны радиальных трещин а=135; Ь=0,226.
Интегрирование по объёму выражения (1) позволяет найти свободный объём трещинного пространства V- в зоне действия взрыва:
Ут - 2ка х а^Р—^ х Ьр (4 - р)
х
Р-1
I
2
х
ы
р-1
I
2
г=0 і - 2і Т _і=0 і - 2і
х
Ъ1,
п
вЪгт
дЪгп
(2)
где р - показатель симметрии взрыва (для центральной - р=3, осевой - р=2); гт-----внешняя гра-
ница зоны трещин; гп - радиус полости; а - коэффициент, учитывающий наличие в пространстве трещин мелкообломочного материала (а = 0,3^1,0).
Соотношение между свободным пространством трещин и объемом каверны существенно зависит от свойств горных пород и масштаба взрыва.
Так, при мало масштабных натурных взрывах в крепких горных породах с хрупким разрушением (граниты, крепкие песчаники) величина VI превышает объем полости в 4-6 раз, в то время как в пластичных породах (грунты) VI составляет только 4-13 % объёма полости. Анализ экспериментальных данных показал, что приближенно соотношение между У/Уп и прочностью пород на одноосное сжатие может быть представлено в виде:
гт <=
V- = ,
уп
(3)
где ~ 0,003^0,004; - в кгС/см2.
Резкое влияние свойств пород на величину У/Уп объясняется существенной зависимостью размеров
полостей от сопротивления пород объёмному деформированию (уплотне-нию). Если в крепких породах г„=(1,8^2,0)гз, то в грунтах г„=(1,8^2,0)гз. Для приближенных расчётов зависимость г^^Ъ) может быть представлена виде:
гп = (8,4 - 2,05 X ^Ъ) X Гз , (4)
Из этих соотношений следует, что объём каверны в пластичных породах почти на два порядка больше, чем скальных. Отсюда отношение абсолютных объёмов трещинного пространства в крепких породах и грунтах составляет 1,2x2. Это позволяет сделать вывод, что абсолютный объём пустот в зоне трещин зависит в основном от масштаба взрыва и в меньшей степени от свойств пород.
В работе [2] был сделан вывод о существовании геометрического подобия размеров зоны разрушения в исследованном диапазоне изменения массы зарядов для условий лабораторного моделирования (взрывы в тиосульфате натрия).
Изучение распределения трещинной пористости пород на равном удалении от двух одновременных взрывов показало, что максимальное развитие трещин в пространстве наблюдается в том случае, когда расстояние между зарядами составляет 20x30 радиусов заряда.
Следует заметить, что вышеизложенные формулы будут иметь некоторые поправки в связи с сочетанием использования ПГД.БК и гидрорасчленения. «Смягчение» воздействия пороховых газов на обсадную колонну скважины (параметры воздействия), т.е. её целостность после проведения операций с ПГД.БК, будут выполнены посредством расчёта количества перфорационных отверстий (совершенст-во вскрытия угольного пласта), а так же за счёт количества зарядов ВВ и изучения физико-механических свойств горных пород.
1. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. М., «Недра», 1979. 271 с.
2. Напряженно-деформированное состояние породных массивов при внутренних взрывах. «Недра», сборник ВЗРЫВНОЕ ДЕЛО
76/33,1976, Авт.: А.В. Михалюк, И.В. Белинский.
3. Механический эффект подземного взрыва. М., «Недра», 1971, 224с. Авт.: В.Н. Родионов, В.В. Адушкин, В.Н. Костюченко и др.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Дополнение к проекту дораз-ведки II горизонта шахты «Комсомольская» Воркутинского месторождения (специальная часть). МГГУ, 1994.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
№
Смирнов Олег Владимирович — кандидат технических наук, «Уголь-фонд».
Шилов Анатолий Алексеевич - кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.
Дальниковский В.В. - студент, Московский государственный горный университет.
