CC BY
25
2004
УДК 534.232
Ю. Ф. Васючков, М.В. Павленко
ПОДГОТОВКА НИЗКОПРОНИЦАЕМЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ К БЕЗОПАСНОЙ ОТРАБОТКЕ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВИБРОВОЗДЕЙСТВИЯ
Семинар № 5
~П ажным направлением в области уве-
-Я-М личения уровня и безопасности и эффективности добычи угля, является интенсификация производства на базе достижений науки и техники.
Увеличение глубины отработки угольных пластов и повышение нагрузки на очистные забои привели к быстрому нарастанию выделения метана. При этом количество метана выделяющегося в угольных шахтах увеличилось почти в сотни раз.
Анализируя рост добычи из газоносных высокопроницаемых и низкопроницаемых угольных пластов, установлено, что из очистных забоев при отработке газоносных высокопроницаемых угольных пластов добыча составляет 1000-1200 м3/ т , в то время как из газоносных низкопроницаемых угольных пластов добыча составляет 600-800 мъ / т .
Поэтому на достигнутых глубинах разработки относительная метанообильность добычных участков при выемке одиночных пластов не превышает 20-25 м3 / т . При увеличении глубины разработки выделение метана из угольных пластов повышается в результате увеличения их природной газоносности.
Газообильность лав обуславливается только поступлением метана из самого разрабатываемого угольного пласта, выделение газа в призабойное пространство очистного забоя остается весьма высоким и лимитирующим нагрузку на лаву. Это объясняется тем, что природная газоносность угольных пластов во многих случаях составляет 20-30 м3 / т , а для антрацитов приближается к 40-45 м3 / т . Выдаваемый на поверхность уголь при столь высокой природной газоносности сохраняет 10-30 % метана, поэтому каждая добываемая тонна угля отдает в горные выработки, главным образом в лаву, 20-30 м3 метана.
Природная пористость одного и того же угольного пласта на одинаковой глубине изменяется незначительно и при прочих равных условиях практически постоянна. Однако величина природной газопроницаемости ископаемых углей, зависящая от многих факторов, для разных угольных пластов и вмещающих пород различна, поэтому она колеблется в широких пределах и обычно составляет 0,1-0,001 мД, однако в зонах повышенной трещиноватости мощных угольных пластов она может достигать 5-100 мД.
Высокопроизводительная разработка газоносных низкопроницаемых угольных пластов без применения специальных мероприятий по снижению выделения метана из разрабатываемых угольных пластов практически не осуществима. В связи с этим задача повышения производительности, безопасности труда и увеличения нагрузки на очистной забой решается комплексно с позиций совершенствования технологии, улучшения технико-экономических показателей и одновременного решения проблемы борьбы с газом с применением новых, более эффективных методов воздействия.
Исследованиями установлено, что в условиях отработки угольных пластов с газоносностью 25-30 м3 / т невозможно достигнуть высокого уровня добычи угля, так как для обеспечения, по газовому фактору, уровня добычи угля порядка (5000-10000 т / сутки) необходимо извлечь из разрабатываемых газоносных угольных пластов 60-75 % метаноносности.
Однако, газопроницаемость угля, является важным фактором в процессе дегазации угольного пласта и определяется, в основном, проницаемостью эндогенных и экзогенных трещин, а также макропор и видимых пор и находится в обратной зависимости от величины внешней нагрузки, а также зависит от его газоносности.
Результаты проведенного анализа свидетельствуют о том, что темпы роста добычи не соответствуют уровню извлечения метана в очистных выработках, что значительно осложняет газовую обстановку в выработках.
При достаточно высокой эффективности дегазации пластов на шахтах, ее эффективность сдерживается особыми свойствами отрабатываемых пластов угля. В частности, фильтрационные и коллекторские свойства ископаемых углей значительно отличаются, в естественных условиях, даже в пределах одного угольного пласта.
Пласты Донбасса, например, обладают крайне низкой трещинной пористостью и проницаемостью, значения, которых колеблются в интервале 2-3 порядков. В результате, наиболее эффективный способ заблаговременной дегазации угольного массива данного месторождения значительно усложняется за счет необходимости проведения дополнительных, весьма сложных технологических процессов.
Управление газовыделением осуществляется за счет изменения параметров системы разработки, порядка отработки пластов в свите, управления горным давлением. Наиболее эффективным является способ управления газовыделением путем применения рационального порядка отработки пластов в свите. В каждом конкретном случае отработки выбирается пласт с наименьшим газовыделением, по которому обеспечиваются высокие темпы подготовки и отработки пласта, что приводит к разгрузке выше-, и нижележащих пластов угля от горного давления и в дальнейшем к дренированию газа через образовавшиеся трещины.
В этой связи, несмотря на имеющиеся технико-технологические возможности и благоприятные горно-геологических условиях, чтобы обеспечить подготовку выемочных столбов длиной до 3000 м, необходимо в каждом конкретном случае устанавливать рациональные параметры системы разработки, в связи с ухудшением условий проветривания выемочного участка, что вызывает ряд других осложнений в работе.
В пределах зон отработки пласта уголь частично нарушен и раздавлен, имеет место наличие большого количества эксплуатационных трещин, которые характеризуются повышенной (по сравнению с природной) газопроницаемостью, поэтому дегазация угля в этой зоне происходит сравнительно быстро и завершается в короткий срок.
Изучение вопроса управления метановыде-лением из горных пород в выработки показало, что для решения этой важной практической задачи имеет существенное значение не только геологические характеристики отрабатываемого угольного массива (газоносность, пористость, трещиноватость и т.д.), но и его физикохимические характеристики - сорбционные свойства.
Газовыделение в горные выработки ранее рассматривалось, прежде всего, на основе теории фильтрации. В основу этих представлений было положено то, что метан в угольных пластах фильтруется в трещино-пористой среде вследствие разности давлений на участке дренажа, а сорбционный объем угля является дополнительным источником газа.
Извлечение метана из сорбционного объема трещино-пористой структуры угля вызывает значительный интерес в связи с необходимостью поиска новых источников добычи высококалорийного газа.
Последовательность и направление работ по интенсификации метаноотдачи состоит в обеспечении:
а) доступа к областям пласта, ранее подвергнутым гидрорасчленению, на расстоянии 150-200 м от скважины;
б) повышения метаноотдачи угольного пласта равномерно из всей зоны воздействия в 5-8 раз;
в) глубокой дегазации угленосной толщи обрабатываемой зоны пласта.
Проведенные экспериментальные исследования в лаборатории МГГУ с использованием волновых полей и получение положительных результатов позволило считать, что волновое поле вызывает проявление изменений в структуре угольного вещества, стимулирующего реакцию его, выражающуюся в разрушении, деструкции с последующим газовыделением.
Так, при воздействии на газонасыщенный уголь в диапазоне частоты вибрации от 10 до 30 Гц и амплитуды - от 3,0 до 3,8 мм, отмечается значительный рост газоотдачи из угля, получен съем газа до 60-70 % по сравнению с природной. В диапазоне воздействия при частоте 30-40 Гц, наблюдается максимум газоотдачи. Очевидно, что на этой частоте наблюдается резонансный эффект, при котором возникает наибольшая интенсивность потока энергии сопровождающаяся реакцией угольного массива с выходом метана, что говорит о силь-
НОЙ частотной зависимости, при- Рекомендуемые параметры воздействия через скважину
чем на преимущественных часто- ° дневнои поверхности
тах (30-40 Гц).
На участке газоотдача до начала воздействия составляет 0,0050,01 см3/г. В процессе увеличения частоты вибрации величина газо-отдачи увеличиваться и достигает величины 0,085-0,099 см3/г, что позволяет характеризовать интенсивность съема газа при воздействия. Это явление проявляется в поле упругих волн в указанном диапазоне частот, благодаря чему даже при малом количестве угля вибрационное воздействие вызывает определенные изменения в метаноотдаче выражающиеся в газодинамическом эффекте.
Задача глубокой дегазации низкопроницаемого газонасыщенного угольного пласта наряду с применением вибровоздействия может также достигаться путем солянокислотной обработки, с целью усиления эффекта замещения метана в сорбционном объеме. Так при выполнении стендового эксперимента в процессе подачи 1-2 % раствора соляной кислоты в колбу с углем в процессе вибровоздействия на него степень пропитки увеличивается и наблюдается увеличение метаноотдачи на 35-40 %.
Это подтверждает возможность выполнения поставленных задач и в тоже время свидетельствует о необходимости в ходе выполнения работ разработки опытной проверки параметров воздействия, дальнейшей проработки технологии вибровоздействия на базе имеющихся научных разработок.
------------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васючков Ю.Ф., Павленко М.В. Метод интенси- тенсификации дегазации угольных пластов с примене-
фикации газоотдачи с использованием волновых полей. нием гидровибрационного воздействия. Каталог научно-
ГИАБ, МГГУ, 1998, № 4. технических разработок. - М., МГГУ, 1999. с. 24.
2. Васючков Ю.Ф., Павленко М.В. Способ ин-
При выполнении работ по вибрационному воздействию в диапазоне частот 25-30 Гц и амплитудой колебания 3-5 см через скважину с дневной поверхности увеличение приемистости пласта в 1,5-2 раза по сравнению с отсутствием воздействия, объясняется тем что в вибрационном поле жидкость, меняя свои физикохимические характеристики, изменяет величину своего мениска. В процессе циклического вибровоздействия на пласт, предварительно подверженном гидровоздействию водой, с выдержкой пласта без наложения вибрации после каждого цикла рекомендуются следующие параметры (таблица).
В связи с отсутствием необходимого эффекта при малом времени воздействия оно должно составлять не менее 40-50 часов. Время одной выдержки пласта между двумя соседними циклами вибровоздействия должно быть не менее 2-5 суток.
Применение указанного метода позволит увеличить дебит метана из одиночной скважины гидровоздействия (после осушения пласта) на 30-40 %.
№/№ циклов Частота, Гц Амплитуда, мм Время, час
1 10-20 3 0 1 о 10-15
2 30-40 20-30 20-25
3 40-50 10-15 30-40
__ Коротко об авторах
Васючков Юрий Федорович — профессор, доктор технических наук, Павленко Михаил Васильевич - доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.
© Н.Г. Матвиенко, 2004
