CC BY
41
УДК 539.382.4:622.33.532.95.2 В.П. Плотников
ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРЫВА УГЛЯ В ШАХТЕ ИМПУЛЬСАМИ ДАВЛЕНИЯ ВОДЫ
Для определения необходимых параметров импульсов давления воды было проведено шахтное исследование отрыва угля на гидравлической импульсной установке с поршневым пневмоаккумулятором. Диаметр поршня пневмоаккумулятора - 220 мм, диметры штоков, создающих импульсы давления воды, - 28, 45 и 60 мм.
Исследование выполнялось на гидрошахте "Байдаевская - Северная №2", ныне гидрошахта "Юбилейная", бывшего треста "Кузбассгидроуголь", на западном крыле пласта 32, на сопряжении сбойки с аккумулирующим штреком на расстоянии 500 м от очистного забоя и от дневной поверхности - 200 м. Массив угля в месте исследования - без видимых трещин, уголь марки Г с коэффициентом крепости Г = 1.5 по шкале проф. М.М. Протодьяконова.
В штреке параллельно сбойке бурились шпуры коронками диаметром 42 мм при помощи ручного гидросверла типа СГР-3 и буровой штанги длиной 1 м.
Импульсная гидравлическая установка подвешивалась к верхняку крепи ручной талью, чтобы металлическая импульсопроводящая труба вошла в шпур.
Для досылания трубы установки в шпур и удержания установки в момент импульса давления воды (т.е. для предотвращения отдачи) использовалась металлическая стойка типа ВК-7. Приводом гидравлической импульсной ус-
тановки служила маслостанция от гидромонитора ГМДЦ-3 с давлением 6.5 МПа.
Прочность и напряжённость угольного массива может характеризовать то, что выемочные печи и сбойки не крепились, и отжима угля от стен выработок не наблюдалось.
Результаты исследования прочности угля пласта 32 на гидрошахте "Байдаевская - Северная №2" описаны в работе [1]. По данным этой работы коэффициент вариации прочности угля равен 23.0 %.
Вода для наполнения шпура, трубы и камеры установки до импульса поступала от водовода с давлением 10 МПа, проложенного по аккумулирующему штреку и предназначенного для снабжения водой гидромониторов.
Для повышения давления воздуха в пневмоаккумуляторе перед сжатием использовался баллон ёмкостью 40 л, наполненный сжатым до 6.0 МПа воздухом.
Шахтное исследование отрыва угля импульсами давления воды проводилось с разными типами уплотнений импульсопроводящей трубы в шпуре.
Наиболее эффективный отрыв угля от забоя достигался при установке в шпур металлической импульсопроводящей трубы с внутренним диаметром 20 и 24 мм и с наружным - равным диаметру шпура.
Качество уплотнения определялась расходом воды из шпура, измеренным до импульса при давлении 0.08 МПа.
Расход воды при определении уплотнения измерялся так же, как при проведении лабораторных исследований, взвешиванием, а время - секундомером.
Давление воды, наполняющей шпур до импульса, и давление воздуха в пневмоаккумуляторе установки до сжатия и в конце сжатия измерялись образцовыми манометрами.
По измеренным давлениям воздуха в пневмоаккумуляторе перед сжатием и в конце сжатия рассчитывалась энергия, затраченная на образование импульса давления воды.
Отбитый уголь взвешивался на пружинных весах. По энергии сжатого воздуха и весу отбитого угля определялась объёмная энергоёмкость разрушения угля отрывом импульсами давления воды.
Давление и расход воды определялись по формулам и номограммам, полученным после корреляционного анализа результатов лабораторного исследования импульсов давления воды на импульсной установке с поршневым пневмоаккумулятором.
В первых опытах глубина шпура изменялась от 18 до 23 см, расстояние от оси шпура до открытой поверхности, в дальнейшем называемое линией наименьшего сопротивления (л.н.с.) или плечом отрыва, изменялось от 6 до 14 см. Длина части шпура, наполненная водой и являющаяся местом приложения разрушающего давления, изменялась от 6 до 7 см (см. таблицу).
При импульсопроводящей трубе с внутренним диаметром 12 мм и плунжере импульсной установки диаметром 28 мм, при хорошем уплотнении шпура и давлении воздуха в пневмоаккумуляторе до сжатия 0.12^0.18 МПа и в конце сжатия 1.10^-1.20 МПа удаётся оторвать од-
ним импульсом в среднем 1.7 кг угля при л.н.с. до 14 см. Энергоёмкость отрыва в этих первых опытах изменялась от 0.3 до 0.46 кВт-ч/т, в среднем - 0.39 кВт-ч/т.
Невозможность более эффективного отрыва угля импульсами давле-ния воды установкой с указанными выше размерами плунжера камеры высокого давления и импульсопроводящей трубы при больших длинах шпуров и больших л.н.с. объясняется, по мнению автора, следующими причинами.
1) Объёмное напряжённое состояние угольного пласта отличается от напряжённого состояния бетонного блока при его разрушении в лабораторных условиях.
2) Фильтрационная способность угольного пласта увеличивает необходимый для отрыва угля расход воды и снижает давление воды в шпуре в момент импульса.
3) Сжимаемость воды, передающей давление на стенки шпура в момент импульса, и упругость угольного пласта также снижает давление воды в шпуре в момент импульса.
Исследование гидравлического разрыва угольных пластов на Южно -Абинской станции "Подземгаз" показали [2], что гидравлический разрыв пластов угля происходит при давлении воды от 2.5 до 11.5 МПа и при расходе воды через поверхность скважины диаметром 200 мм и длиной 1.0 м, равном 8.3^25 дм3/с.
Поэтому необходимо, чтобы расход воды через поверхность шпура диаметром 42 мм, длиной 1.0 м в массив угля для успешного гидравлического отрыва был в пределах от 1.75 до 5.25 дм3/с.
Определение по формулам и по номограммам скорости плунжера и амплитуды импульсов давления воды в гидравлической импульсной установке с импульсопередающей трубой диамет-
ром 12 мм и с плунжером камеры высокого давления диаметром 28 мм, показало, что при давлении воздуха в пневмоаккумуляторе в конце сжатия 1.15 МПа, амплитуда импульса давления воды в шпуре может достигать 33.9 МПа, а расход воды - 5.0 дм3/с, однако эффективного отрыва угля при этом не произошло.
В дальнейшем в исследованиях применялись импульсопроводящие трубы длиной 1 м с внутренним диаметром 20 и 24 мм и с наружным диаметром 38 и 42 мм соответственно, которые вставлялись в шпур без какого-либо уплотнения.
Одной из возможных причин неудачи при отрыве угля импульсами давления воды может быть сжимаемость воды.
Максимальное теоретически возможное давление воды при сжатии её плунжером с диаметром 28 мм при его перемещении на 50 мм при разных объёмах сжимаемой воды может достигать следующих значений: при сжатии воды, находящейся в установке и в шпуре длиной 1.0 м - 21.3 МПа; при сжатии воды, находящейся в установке и в шпуре длиной 2.0 м - 14.5 МПа.
Эти расчёты показывают, что сжимаемость воды значительно снижает давление в момент импульса.
В результате анализа фильтрации воды в угольном массиве и сжимаемости воды, передающей давление на стенки шпура, было принято решение производить дальнейшее исследование отрыва импульсами давления воды на этой же установке, имеющей плунжеры с диаметрами 45 и 60 мм.
Плунжер диаметром 45 мм при прочих неизменных размерах деталей гидравлической импульсной установки позволил создавать импульсы давления воды в шпуре 31.4 и 26.8 МПа при дав-
лении воздуха в пневмоаккумуляторе в конце сжатия 2.8 и 2.4 МПа.
Плунжер импульсной установки диаметром 60 мм позволил создавать импульсы давления воды с амплитудой от 14.0 до 17.6 МПа в шпуре при давлении воздуха в пневмоаккумуляторе в конце сжатия 2.23^2.76 МПа.
Импульсопроводящие трубы с внутренним диаметром 20 мм и 24 мм, применённые для продолжения исследования, позволили подавать в шпур увеличенный расход воды с небольшими потерями давления и осуществлять полный отрыв угля от массива при линии наименьшего соп-ротивления 0.25-0.3 м.
Расчётом установлено, что гидравлическое сопротивление одного метра трубы с внутренним диаметром 20 мм при расходе воды 12.7 дм3/с равно 0.75 МПа, одного метра трубы с внутренним диаметром 24 мм при расходе воды 11.9 дм3/с - 0.4 МПа. Гидравлическое сопротивление одного метра трубы с внутренним диаметром 12 мм при расходе воды 5 дм3/сек равно 1.74 МПа.
После осуществления указанных выше изменений в гидравлической импульсной установке промышленное исследование отрыва угля импульсами давления воды было продолжено и задачи исследования выполнены.
При увеличении л.н.с. до 40 см отрыв угля осуществить не удалось, при этом производился гидравлический разрыв угольного массива трещинами шириной до 3^5 мм.
В большинстве опытов после одного отрыва труба вводилась в этот же шпур, и осуществлялись отрывы в ослабленном угольном массиве.
Поэтому при обработке результатов исследований рассчитана энерго-
Результаты исследования отрыва угля импульсами давления воды в гидрошахте "Байдаевская - Северная №2"
№ п/п Наименование Единицы измерения Средние арифметические значения результатов исследования отрыва угля импульсами давления воды
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 Диаметр плунжера импульсной установки мм 28 45 45 60 60 60 60
2 Расстояние от оси шпура до поверхности забоя (л.н.с.) см 10 25 25 26 25 30 28
3 Глубина шпура см 21 20 45 25 41 67 85
4 Длина шпура, наполненного до импульса водой см 6 9.0 31.7 17.0 36.0 57.0 64.0
5 Расход воды через уплотнение трубы в шпуре до импульса при давлении 0.08 МПа см3 3 34 43 64 76 100 95
6 Диаметр импульсопередающей трубы мм 12 20 24 24 24 24 24
7 Давление воздуха в пневмоаккумуляторе установки перед сжатием МПа 0.15 0.51 0.53 0.84 0.81 0.73 0.9
8 Давление воздуха в пневмоаккумуляторе установки в конце сжатия МПа 1.15 2.8 2.4 2.76 2.58 2.23 2.7
9 Масса угля, оторванного одним импульсом давления воды кг 1.7 10.1 2.9 10.5 8.3 10.4 9.5
10 Удельное давление воздуха в пневмоаккумуляторе в конце сжатия на единицу площади плунжера МПа 71.0 66.9 57.4 37.1 34.7 30.0 36.3
11 Скорость плунжера установки, определённая: м/с
по номограмме; 8.2 7.7 6.6 4.3 4.0 3.4 4.2
по формуле (5.50) 8.0 7.6 6.5 4.2 4.0 3.4 4.3
12 Расход воды при отрыве дм3/с 5.0 12.7 10.9 11.9 11.0 9.3 11.6
13 Давление воды в шпуре при отрыве, определённое по номограмме: определённое по формуле(5.53): МПа 35.2 33.9 31.0 31.4 26.0 26.8 17.0 17.6 16.0 16.5 13.4 14.0 16.6 17.0
14 Мощность импульса давления воды кВт 171 390 282 198 170 120 182
15 Энергия импульса давления воды Вт-ч Дж 0.47 1692 1.08 3888 0.78 2808 0.55 1980 0.47 1692 0.33 1188 0.51 1836
16 Энергоёмкость отрыва угля, определённая по энергии импульсов давления воды кВт-ч/т кДж/т 0.28 955 0.11 385 0.27 968 0.05 189 0.06 204 0.03 114 0.05 193
17 Энергия на сжатие воздуха для образования импульсов давления Дж Вт-ч 2420 0.67 5691 1.58 5099 1.42 5974 1.66 5696 1.58 4853 1.35 5831 1.62
18 Энергоёмкость отрыва угля, определённая по энергии на сжатие воздуха в пневмоаккумуляторе импульсной установки кВт-ч/т кДж/т 0.39 1424 0.16 563 0.49 1758 0.16 569 0.19 686 0.13 467 0.17 614
19 Отношение энергии импульса давления воды к энергии сжатого воздуха для образования импульса 0.70 0.68 0.55 0.33 0.30 0.24 0.31
ёмкость отрыва угля из ослабленного предыдущими импульсами массива с учётом энергии, израсходованной на ослабление.
Средние значения давления воздуха в пневмоаккумуляторе в конце сжатия в шахтных исследованиях на импульсной установке с плунжерами диаметром 45 мм и 60 мм изменялись от 2.23 до 2.8 МПа, коэффициент вариации измеренных значений изменялся от 5 % до 23.5 %.
Масса угля, отбитого одним импульсом давления воды, при диаметре плунжера установки 60 мм с увеличением глубины шпура изменяется незначительно и равна 10.5; 8.3; 10.4; 9.5 кг при глубине шпуров 25; 41; 67 и 85 см соответственно. В среднем одним импульсом установкой с плунжером диаметром 60 мм отбивалось 9.7 кг угля.
Энергоёмкость отрыва угля, определённая по энергии сжатого воздуха, изменяется от 0.49 до 0.13 кВт-ч/т.
Энергоёмкость отрыва угля, ослабленного предварительными импульсами, определённая по энергии импульсов с учётом работы ослабления, при диаметре плунжера импульсной установки 45 и глубине шпура 20 и 45 см равна соответственно 0.11 и 0.27 кВт-ч/т, а при диаметре плунжера 60 мм изменялась от 0.03 до 0.06 кВт-ч/т.
Коэффициент вариации значений энергоёмкости изменяется от 2.6 до 36.5 %.
Результаты исследования показывают, что при плече отрыва 25^30 см и глубине шпура до 85 см отрыв угля импульсами давления воды происходит с небольшой энергоёмкостью. Это позво-
лит создать буроотрывающий гидроимпульсный комбайн, который будет добывать крупносортный уголь с большой производительностью без опасности взрыва метана и угольной пыли [3].
Влияние фильтрации воды в угольный массив при его разрушении отрывом импульсами давления воды автор рекомендует учитывать условной скоростью фильтрации воды, которую предлагается выразить как отношение секундного расхода воды, создаваемого установкой, в м3/с, к площади внутренней поверхности шпура, воспринимающей давление воды, в м .
О
сф.„ = От. (1)
Экспериментально установлено, что для отрыва угля с минимальной энергоёмкостью условная скорость фильтрации воды должна быть в пределах 0.8^1.2 м/с.
Влияние сжимаемости воды при её импульсном действии на массив рекомендуется определять отношением объёма воды, вытесненного плунжером установки за один импульс, к объёму воды, находящемуся в камере установки, в трубе и в шпуре до импульса. Значение этого отношения, названного автором коэффициентом влияния сжимаемости воды для отрыва угля с минимальной энергоёмкостью должно быть в пределах 0.07^0.13.
(2)
Необходимо отметить, что уменьшение или увеличение значений предложенных автором критериев при отрыве угля вначале приводит к увеличению энергоёмкости разрушения, а затем отрыв вообще не происходит.
По результатам шахтного исследования установлено, что расход воды в момент импульса, необходимый для отры-
ва, может быть не больше 3.0 % массы отбитого угля, что равно расходу воды, рекомендуемому проф., д.т.н. А.В. Топчиевым для орошения при отбойке угля современными комбайнами [4], и часто меньше объёма воды в очистном забое
1. Айзенберг Л.Г. Статистические закономерности механических свойств углей Кузбасса и их использование для прогнозирования и расчёта гидравлической отбойки: Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук / Л.Г. Айзенберг. - Новокузнецк: СМИ, 1968.
2. Борисов А.Н. Исследование гидравлического разрыва угольных пластов в условиях Южно - Абинской станции "Подземгаз". Отчёт по научно - исследовательской работе /А.Н.
шахты при обычной или гидравлической добыче угля.
Поэтому отрыв угля импульсами давления воды может найти применение как на шахтах с конвейерным или рельсовым транспортом, так и при выемке угля в гидрошахтах.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Борисов, В.П. Плотников. - Новокузнецк: СМИ, 1967, 130 с.
3. Плотников В.П. Рабочий орган горно-
го комбайна. Авторское свидетельство СССР на изобретение №1170136, Кл. Е21, с. 27/34./ В.П. Плотников - М.: Бюллетень №28,
30.07.1985.
4. Топчиев А.В. Машины для очистных и подготовительных работ. Расчёт и конструирование / А.В. Топчиев, Н.А. Шурис. - М.: Госго-техиздат, 1962. - 348 с.
— Коротко об авторах
Плотников В.П. - доцент, кандидат технических наук, Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк.
А
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ ДИССЕРТАЦИИ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
МОГИЛАТ Виталий Лазаревич Обеспечение эффективного управления промышленной безопасностью горных предприятий путем целенаправленного формирования информационных потоков 05.26.03 д.т.н.
