Результаты лабораторных испытаний по скважинной гидродобыче (СГД) угля Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.234.5:622.241 Е.Н. Есина

РЕЗ УЛЬ ТА ТЫ ЛАБОРА ТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПО СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧЕ (СГД) УГЛЯ

Предложен способ гидродобычи угля, позволяющий осуществлять непрерывный процесс добычи полезного ископаемого, обогащения и доставки его к потребителю в автоматическом режиме без выдачи отходов обогащения на поверхность.

Ключевые слова: гидродобыча угля., экологические последствия, гидросмесь, геомехани-ческие процессы.

ш ш роблема обеспечения европей-

Л. Ж. ской части России энергоресурсами с каждым годом все более обостряется. Ликвидация значительного числа угольных предприятий Подмосковного бассейна и восточного Донбасса привела к необходимости доставки угля из Кузнецкого и других бассейнов, где угольная промышленность также работает на пределе своих возможностей, что ведет к удорожанию угля. В свою очередь стоимость доставки угля за тысячи километров становится сопоставимой со стоимостью добычи угля. Суммарная стоимость угля, доставленного потребителям из удаленных районов, приближается к сотне долларов за тонну, что вызывает существенное удорожание выпускаемой ими продукции.

Одним из путей решения указанной проблемы является возобновление добычи угля из месторождений, расположенных в европейской части России, но на новом, более современном уровне с использованием высокопроизводительных и экономичных способов.

Таким способом является, в частности, разработанный в ИПКОН РАН скважинный способ добычи полезных ископаемых, коренным образом отличающийся от традиционного, суть которого изложена ниже.

Основными технологическими процессами при современной гидродобыче являются вскрытие месторождения с помощью скважин, гидравлическое разрушение (размыв) напорной струей воды, дезинтеграция и перевод в забое разрушенной массы в гидросмесь, подъем гидросмеси на поверхность, обогащение, складирование хвостов обогащения, осветление оборотной воды и водоснабжение [1].

Недостатком данного способа является то, что обогащение производят на поверхности земли. Создаются хвосты обогащения, изымаются большие площади земли для их расположения, создаются негативные экологические последствия, происходит оседание земной поверхности над выработанным пространством, а также экономические и экологические потери, связанные с многократным разрывом технологической цепочки за счет разгрузки и погрузки топлива при его обогащении и транспортировке к потребителю.

Особенностями разработанного способа является исключение экологических последствий за счет подготовки гидросмеси в месте залегания полезного ископаемого.

Сущность способа заключается в следующем. При подработке месторож-

дения полезного ископаемого, например, угольного, сланцевого и т.п. производят гидравлическое разрушение напорной струей воды, добиваясь дезинтеграции и перевода в забое разрушенной горной массы в гидросмесь.

Полученную гидросмесь интенсивно перемешивают, а затем отстаивают, при этом осаждение тяжелой ее части происходит под собственным весом пустой породы на дно вымытой полости. После осаждения тяжелой части пульпу полезного ископаемого транспортируют по трубам на поверхность к потребителю [2].

Данный способ позволяет осуществлять непрерывный процесс добычи полезного ископаемого, обогащения и доставки его к потребителю в автоматическом режиме без выдачи отходов обогащения на поверхность.

При данном способе негативные особенности Подмосковного угольного бассейна превращаются в его достоинства. Так, большая обводненность бассейна позволяет использовать имеющиеся на месторождении воды для технологических процессов, а пропластки сланцев, песчаников и других пород -для естественной закладки выработанного пространства.

Основная особенность процесса гидродобычи как в отношении технологического, так и геомеханического обеспечения - отсутствие возможности визуального контроля выработанного пространства и проявлений процесса сдвижения непосредственно в массиве.

Поэтому важным вопросом геомеха-нического обеспечения при СГД является определение местоположения и размеров выработанного пространства. Установлено, что характерные точки мульды сдвижения (точки максимумов кривых деформаций и сдвижений) сохраняют устойчивое положение относи-

тельно границы выработанного пространства. В ходе исследований усовершенствована методика определения местоположения выработки косвенным путем. Названная цель достигается решением обратной задачи геомеханики: определение формы и местоположения выработанного пространства производится по наблюдаемым величинам сдвижений и деформаций земной поверхности на основе установленных зависимостей [3].

С целью прогноза и контроля геоме-ханических процессов разработана новая методика определения параметров процесса сдвижения горных пород при СГД, в основе которой лежат традиционные методы расчета сдвижений и деформаций, но приняты принципиально новые решения относительно соотношения местоположения максимальных величин деформаций земной поверхности и расположением выработки в толще пород.

При выполнении расчетов производится замена фактической выработки на условную прямоугольную КМЫР, равную по площади истинной выработке (основы возможности такой постановки заложены Р. А. Муллером [4]). По традиционной методике получаются результаты расчетов, характеризующие местоположение именно КМЫР. В дальнейшем осуществляется переход от расчетного выработанного пространства к фактическому:

- в случае, когда забой скважины находится у почвы пласта, истинная выработка имеет треугольную форму в сечении, следовательно, переход от условных параметров к фактическим осуществляется по полученным зависимостям:

Dф = 2Dр , (1)

добычная скважина

---------41

пласт полезного ископаемого

Рис. 1. Схема к определению положения выработанного пространства при трапециевидной форме выработанного пространства

где Dp - расчетный размер выработанного пространства, Dф - фактический размер выработанного пространства;

- в случае, когда забой скважины находится ниже кровли пласта, реальная выработка имеет форму, близкую к трапециевидной ABCG (рис. 1), и ее параметры определяются соотношением:

°'ф,= - m • ;

В'Ф= + m • ^ , (2)

где D'ф - фактический размер выработанного пространства (по кровле пласта), D"ф - фактический размер выработанного пространства (по почве пласта), т - мощность пласта, V - угол стока водоугольной суспензии.

Важным параметром, определяющим форму выработанного пространства, является угол стока водоугольной суспензии (V), образующийся при добыче полезного ископаемого указанным способом. Механизм образования угла V был предметом лабораторных исследований на опытном стенде.

Исследования показали, что угол стока раздробленной увлажненной породы зависит от расстояния забоя сква-

Рис. 2. Схема изменения угла стока водоугольной суспензии

жины от кровли пласта. При увеличении углубления скважины в пласт полезного ископаемого угол V изменяется, становится более пологим (рис. 2). При достижении глубины забоя скважины почвы пласта (мощность пласта 5,5 м) значение V приближается к 15°. При дальнейшем углублении скважины изменения угла не наблюдается.

Полученную экспериментальную (рис. 3) зависимость можно аппроксимировать аналитическим выражением гиперболического вида (среднеквадратическая погрешность составляет ту = 0,11%):

1°-25м

V = П ° 2715 м ’ (3)

п м

т

где Пт - расстояние забоя скважины от кровли пласта, м.

Важным и зачастую определяющим целесообразность отработки месторождения параметром является показатель потерь полезного ископаемого.

Лабораторные исследования позволили установить зависимость величины потерь полезного ископаемого от глубины забоя скважины ниже

¥ 4С

О ---------------------------------------------------------------------

0,0 1г0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

ГЛь‘Ейн1 ¿»Сйй СКЬиСйМЫ НК+Н КрйШ1Н ПЛНТй, И

Рис. 3. График зависимости угла стока водоугольной суспензии (в градусах) от расстояния забоя скважины от кровли пласта (в метрах)

А 1 В

Рис. 4. Расположение скважин А и В, при котором создается плоское дно на участке АВ мульды сдвижения: 1 и 2 - мульды сдвижения, образующиеся на земной поверхности при добыче полезного ископаемого через скважины А и В соответственно; 3 - суммарная мульда сдвижения; 4 и 5 - скважины соответственно А и В; 5 - угол сдвижения.

1Ю Н &0 во ■ | п-1 60 I 1 во И 40 1 Д зо | 20 10

■

V*

\

V

N

>24 И В 10 1.2 Р|:ср]|мн 11(йч иивии ел фзвл? кисть, в

Рис. 4. График зависимости потерь П (в %) от расстояния забоя скважины от кровли пласта h (в метрах): ♦ - экспериментальные данные, — аналитическая аппроксимация экспериментальных данных

кровли пласта. Так, при заданном нормативе потерь по формуле (4) или по графику (рис. 3) определяется расстояние забоя скважины от кровли пласта И, при котором потери полезного ископаемого не превысят заданной величины.

П = 100-9.1И + ^т32.7И , (4)

где П - потери полезного ископаемого, %.

Например, при заданном нормативе потерь Пн=20% расстояние забоя скважины ниже кровли пласта составит 7,5 м. Как показала статистическая обра-

ботка этой зависимости, среднеквадратическая погрешность составляет тр = 1,13%.

Расстояние между скважинами й в этом случае вычисляется из выражения: й = 2И • , (5)

где V - угол естественного стока раздробленной породы.

Величина разубоживания Р в % составит:

р = (п 2т) *100%. И2

(6)

где т - мощность пласта полезного ископаемого.

Для исключения разубоживания решается обратная задача, т.е. принимается И, равное мощности пласта, и определяется расстояние между скважинами й по формуле (7).

Сокращение потерь в этом случае достигается уменьшением расстояния между скважинами. й = 2т • ctgv . (7)

При управлении геомеханическими процессами с целью охраны подрабатываемых объектов используется принцип взаимной компенсации деформаций

разных знаков: компенсация растяжений деформациями сжатия, положительной кривизны - отрицательной и т.д. [5]

На рис. 4 приведено расположение добычных скважин, при котором в мульде сдвижения образуется плоское дно, т.е. участок, на котором относительные деформации земной поверхности минимальны.

Таким образом, в ходе лабораторных испытаний по скважинной гидродобыче угля разработана принципиально новая технология скважинной гидродобычи,

1. Аренс В.Ж., Бабичев Н.И., Башкатов

A.Д., Гридин О.М., Хрулев А.С., Хчеян Г.Х. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых.: Учеб. пособие. - М.: Издательство «Горная книга», 2007. - 295 с.

2. Зайденварг В.Е., Трубецкой К.Н., Мурко

B.И., Нехороший И.Х. Производство и использование водоугольного топлива. - М.: Издательство Академии горных наук, 2001. - 176 с.

3. Есина Е.Н. Особенности геомехани-ческого обеспечения скважинной гидродо-

основанная на подготовке гидросмеси в месте ее залегания. Кроме того:

- разработаны методы оценки, прогноза и контроля геомеханических процессов при скважинной гидродобыче;

- проанализированы способы управления геомеханическими процессами при СГД: обосновано оптимальное расположение скважин с учетом требуемого норматива потерь;

- с целью охраны подрабатываемых объектов разработаны способы уменьшения относительных деформаций.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

бычи полезных ископаемых. Маркшейдерский вестник, № 5 - 2008 г. С. 31-32.

4. Муллер Р.А. Влияние горных выработок на деформацию земной поверхности. - М.: Уг-летехиздат, 1958.

5. Иофис М.А. Научные основы управления деформационными и дегазационными процессами при разработке полезных ископаемых.

- М.: ИПКОН АН СССР, 1984. - 232 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ ------------------------------

Есина Екатерина Николаевна - горный инженер-маркшейдер, аспирант, УРАН ИПКОН РАН, раб. тел. (495) 360-49-04.