CC BY
57
Ю.А. Жулай, Л.М. Васильев, Н.Я. Трохимец, В.В. Зберовский, П.Ю. Моисеенко
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ УГОЛЬНОГО МАССИВА НАГНЕТАНИЕМ В НЕГО ЖИДКОСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГЕНЕРАТОРА КАВИТАЦИИ
Т Жа основании экспериментальных исследований, выполненных в лабораториях и промышленных условиях шахты, показана возможность интенсификации газовыделения из угольного массива путем дискретно-импульсного нагнетания жидкости в пласт. При этом использовался кавитационный генератор колебаний давления жидкости, преобразующий стационарное течение в периодически-срывное с передачей импульсов давления в зону гидрорыхления.
Ухудшение горно-геологических условий, связанное с увеличением глубины разработки угольных пластов, и необходимость увеличения нагрузки на очистные и подготовительные забои привели к значительному снижению эффективности мероприятий по борьбе с вредными явлениями в шахтах. В этой связи создание безопасных условий ведения горных работ по газовому фактору является наиболее актуальным в угольной промышленности.
В настоящее время основными мерами борьбы с газодинамическими явлениями в очистных и подготовительных забоях являются способы, основанные на подаче жидкости в угольный пласт. Однако, как показывает опыт, возможности повышения эффективности статического нагнетания практически исчерпаны.
Исследования, выполненные в ИГТМ НАН Украины, при разработке способов и средств гидроимпульсного воздействия на угольные пласты (установки насосные - УНР и УНИ) и их использование на шахтах при проведении мероприятий по борьбе с вредными явлениями, определили ряд существенных отличий. Преобразование режима статического нагнетания жидкости в импульсный позволило достичь:
- отсутствия течей из пласта по трещинам наслоения, при которых завершалось статическое нагнетание;
- появления на забое выработки множества высачиваний и обильного капежа, сравнительно равномерно распределенных по площади забоя вокруг скважины;
- увеличения в « 2 раза (рис. 1) удельного газовыделения через смежные скважины с метра обнаженной поверхности угля [1] по сравнению со статическим нагнетанием.
Более того, при 2-х кратном импульсном нагнетание воды (рис. 2) наблюдается устойчивое вытеснение из пласта дополнительного объёма газа, что указывает на целесообразность многократной гидроимпульсной обработки массива. Независимо от применяемой технологической схемы импульсного нагнетания (через короткие шпуры, пробуренные в глубь забоя или через длинные скважины, пробуренные из подготовительных выработок) газовы-деление в смежные скважины возрастает до десяти раз [2].
Эффективность гидроимпульсного воздействия на угольный массив в первую очередь характеризуется развитием системы трещин, которая определяется соотношением прочностных показателей угля и энергетическими характеристиками нагнетаемой жидкости. Известно, что трение в сыпучих средах уменьшается под действием вибрационной нагрузки. В работе [1] показано, что под действием импульсной нагрузки в горных породах уменьшается и внутреннее трение. На основании результатов экспериментальных исследований утверждается, что с увеличением скорости деформации существенно снижается коэффициент внутреннего трения, а сопротивляемость сдвигу увеличивается.
На рис. 3, заимствованного из работы [1], представлена зависимость размаха пульсаций давления в скважине ЛР2 от соотношения средних давлений нагнетания Р1 и подпора Р2, которая показывает ярко выраженный экстремум, возрастающий с увеличением давления на входе.
Применение нагнетательно-импульсной установки при гидроимпульсной обработке угольного массива обеспечило максимальные значения пульсаций давления от 8 до 3,5 % давления питания Р1 при его изменении от 5 до 32 МПа и давлении
Рис. 1. Характер газовыделения из дегазационной скважины при статическом и гидроимпульсном нагнетании жидкости в технологическую скважину
Рис. 2. Изменение газовыделения из дегазационной скважины при двукратном импульсном нагнетании жидкости в технологическую скважину
Рис. 3. Зависимость размаха кавитационных пульсаций давления от параметра кавитации для ГИД с диаметром критического сечения = 2,4 мм, диаметром последиффузионного канала Б = 8 мм, углом раскрытия диффузора
в= 20° 1 - Р1 = 5 МПа, 2 - Р1 = 15 МПа, 3 - Р1 = 25 МПа, 4 - Р1 = 32 МПа
подпора Р2 « 1,0+0,2Рь Это позволило увеличить в 1,5+2 раза радиус увлажнения, снизить пылеобразование и газовыделение при разрушении угля.
Вместе с тем следует отметить, что, несмотря на полученные результаты, подтверждающие преимущества гидроимпульсного воздействия, механизм развития разнонаклонных трещин сдвига в массиве угля и процесс фильтрации по ним газа под воздействием кавитационного потока нагнетаемой жидкости вокруг зоны влияния скважины остаются малоисследованными. Кроме этого, необходима разработка более эффективных устройств для преобразования высоконапорного течения жидкости в дискретно-импульсное течение повышенной разрушительной способности и передачи импульсов давления в массив с минимальными потерями энергии.
Цлл/
6
3325
3560
Рис. 4. Схема экспериментальной установки
С этой целью на экспериментальной установке (рис. 4) были проведены исследования разработанных экспериментальных образцов кавитационных генераторов колебания давления жидкости
Установка включает в себя питающий трубопровод 1, модернизированный ГК-2, переходник 3, трубопровод-имитатор скважины 4, подпорный дроссель 5 и сливной трубопровод 6. В процессе испытаний образцовыми манометрами измерялись статические давления на входе в генератор Рі и в трубопроводе-имитаторе Р2. Индуктивными датчиками давления ДДИ-20 измерялись колебания давлений за генератором ДР2 и в трубопроводе-имитаторе скважины ДР3, сигналы с которых через вторичный и аналогово-цифровой преобразователи поступали на вход ПЭВМ, где производилась их обработка.
Исходными данными для выбора динамических характеристик ГК являлись:
- параметры насосных установок: давление подачи жидкости 1,0 МПа < Р1 < 30 МПа; расход жидкости Q = 35 - 90 л/мин;
- горно-геологические условия и физико-механические свойства угля: давление газа в пласте (давление подпора) Р2 = 1,0 - 20,0 МПа; сопротивление угля на сдвиг К = 0,5 - 2,0 МПа;
- параметры ГК: угол раскрытия диффузора - в; диаметр критического сечения - ёкр; диаметр преддиффузорного - В1 и после-диффузорного - В каналов; длина преддиффузорного - Ь и после-диффузорного - I каналов.
Испытания проводились при различных режимах работы генератора, отличающихся степенью развития кавитации. При
(ГК).
ЛР2. МПа
15
10
5
0
Рис. 5. Копии участков осциллограммы с записью колебаний давления за генератором ЛР2 и в трубопроводе-имитаторе скважины ЛР3
фиксированном давлении на входе в генератор Р1 « 10 МПа, которое обеспечивалось насосом, давление на выходе из трубопровода-имитатора скважины Р2 уменьшалось ступенчато (с помощью подпорного дросселя 5) таким образом, что соотношение давлений Р2/Р1 (параметр кавитации - т) уменьшалось в диапазоне от 0,05 до 0,9. Расход воды через систему составил 35 л/мин.
В качестве примера на рис. 5 представлены участки осциллограмм с записью параметров кавитационных автоколебаний, реализовывавшихся в гидравлической системе за кавитационным генератором (ЛР2) и в трубопроводе-имитаторе скважины (ЛР3). Характер этих колебаний подтверждает преобразование стационарного потока в пульсирующий.
Экспериментальные зависимости частоты кавитационных автоколебаний { и «двойной амплитуды» ЛР2 и ЛР3, полученных при стендовых испытаниях, представлены на рис. 6.
В связи с негармонической формой колебаний под «двойной амплитудой» в данном случае понимается разность максимального и минимального значений давления в импульсе, т.е. ЛР = Ртах -РтЫ. Из приведенных зависимостей видно, что при
Рис. 6. Экспериментальные зависимости кавитационных колебаний давления в трубопроводе-имитаторе скважины ЛР2 и ЛР3 и частоты следования импульсов /от соотношения Р2/Р1
уменьшении отношения Р2/Р1 двойные амплитуды колебаний ДР2 и ЛРз увеличиваются, достигая своего максимального значения при Р2/Р1 « 0,08, а затем уменьшаются.
Максимальные значения давления в импульсе на выходе из генератора ДР2 в 1,8 раз превышают давление питания, а в имитаторе скважины составляют 0,2Р1. В диапазоне изменения отношений Р2/Р1 = 0,15+0,5 значения импульсов ДР2 и ДР3 практически не меняются и уменьшаются с увеличением Р2/Р1 > 0,5. Зависимость частоты кавитационных колебаний от соотношения Р2/Р1 близка к линейной, с ростом соотношения наблюдается повышение частоты.
Испытания разработанного ГК в промышленных условиях технологии гидрорыхления угольного массива импульсным нагнетанием в него воды при проведении пластовых подготовительных выработок в условиях шахты «Дуванная» ОАО «Краснодонуголь» (рис. 7) показали возможность повышения эффективности гидрорыхления.
Нагнетание воды в угольный массив 1 производилось через напорный трубопровод 4 с герметизатором 2 через генератор колебания давления с = 2,4 - 5, установленные в скважине 3. Исследованиями [1] установлено, что при статическом нагнетании воды насосной установкой УНГ, длительность
Рис. 7. Схема гидрорыхления угольного массива
гидрорыхления составила 4 мин. За это время было закачано 0,2 м3. В массиве образовалось две магистральные трещины с выходом воды в выработанное пространство, что вынудило прекратить процесс гидрорыхления и не позволило закачать расчетное количество воды. Импульсное нагнетание воды в течение 8 минут позволило закачать 0,6 м3, при этом в процессе гидрорыхления магистральных трещин не образовалось, а динамика выделения метана из массива увеличилась в 12 раз по сравнению с исходной.
Выводы
Предложенный авторами и рассмотренный в данной статье способ гидрорыхления угольного пласта импульсным нагнетанием в него жидкости в режиме кавитации с использованием разработанных кавитационных генераторов колебания давления жидкости имеет ряд преимуществ по сравнению со статическим нагнетанием. Они состоят в возможности дискретно-импульсного воздействия на угольный пласт, что приводит к значительному росту проницаемости угля, снижению его гидросопротивляемости и увеличению приемистости. Это позволяет увеличить темп нагнетания и объем жидкости, подаваемой в угольный массив при одновременном снижении временных затрат. В результате повышается эффективность гидрорыхления и зона увлажнения, интенсифицируется газо-выделение, снижается уровень пылеобразования и сопротивляемость угля резанию при его разрушении. Генератор обладает рядом преимуществ перед другими известными импульсными средствами, такими, как:
- простота изготовления, отсутствие подвижных частей, длительность ресурса, исключение передачи колебаний жидкости на насос, что увеличивает ресурс его работы;
- конструкция генератора органично вписывается в технологию гидрорыхления угольного массива, не требует доработки оборудования и позволяет интенсифицировать процессы газовыделе-ния при более низких удельных энергозатратах по сравнению с традиционными технологиями.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васильев Л.М., Демченко В.С., Родин А.В. Импульсная насосная установка // Геотехническая механика: Межведомств. сб. научн. работ. - Днепропетровск, 2001. - № 29. - С. 8-9.
2. Зберовский В.В., Демченко С.В., Трохимец Н.Я., Кучеренко С.А. К вопросу формирования технологических схем активной дегазации // Материалы XV Межд. науч. школы им. С.А. Христиановича «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках» Алушта 19-25 сентября 2005 г. - Симферополь. - 2005. - С. 99-102.
3. Васильев Л.М., Жулай Ю.А., Трохимец Н.Я., Зберовский В.В., Моисеенко П.Ю. Генератор и герметизатор шпура для гидроимпульсного воздействия на угольный массив в технологическом процессе противовыбросных метроприятий // Геотехническая механика: Межведомств. сб. научн. работ. - Днепропетровск, 2006. - № 61. - С. 314-322.
— Коротко об авторах ------------------------------------------
Жулай Ю.А. - кандидат технических наук, ИТСТ НАН Украины, Васильев Л.М. - доктор технических наук,
Трохимец Н.Я. - кандидат технических наук,
Зберовский В.В. - кандидат технических наук, ИГТМ НАН Украины, Моисеенко П.Ю. - инженер, ОАО "Краснодонуголь".
