CC BY
42
УДК 622.4:622.807 Д.И. Савельев
ПОВЫШЕНИЕ ПЫЛЕВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ С УЧЁТОМ ГАЗОВОГО ФАКТОРА
Приведены данные количественного состава высших углеводородов в угле и угольной пыли, полученные методом термической дегазации. Выполнено сопоставление количества и состава углеводородов в угле и угольной пыли; получена оценка влияния концентрации ПАВ на десорбцию высших углеводородов угля при термовлажностной химреа-гентной обработке угля в угольных шахтах.
Ключевые слова: борьба с пылью, увлажнение угля, сорбция, десорбция, углеводороды в углях, свойства углеводородов.
^ачастую одни и те же угольные пласты опасны по газу, газодинамическим явлениям (ГДЯ), взрывам пыли, поэтому вопрос о комплексном применении специальных мер, обеспечивающих безопасность труда при ведении горных работ, стоит особенно остро.
В многочисленных исследованиях, посвященных вопросу увлажнения угольных пластов, выражается единая точка зрения о положительном влиянии нагнетаемой жидкости на снижение пы-леобразования, газовыделения, газодинамических проявлений при выемке (разрушении) угля. Мнения расходятся во взглядах на режим (низко-, высоконапорное) и время (кратковременное, длительное) нагнетания.
Широкое распространение в свое время получили локальные способы борьбы с внезапными выбросами, основанные на искусственном изменении напряженно-деформированного состояния и газодинамического режима краевой части угольного пласта - гидроотжим призабойной зоны и нагнетание в режиме рыхления. В связи с возрастанием частоты внезапных выбросов в про-
цессе гидроотжима от его использования в последнее время отказались.
С увеличением глубины и изменением фильтрационных характеристик пластов снижается эффективность гидрорыхления, вследствие чего параметры его неоднократно корректировались для усиления воздействия на пласт за счет уменьшения длины скважин и повышения давления нагнетания. Возможности такого подхода ограничены с одной стороны техническими характеристиками оборудования, а с другой - негативными последствиями как при гидроотжиме пласта. Поэтому дальнейшее повышение эффективности и безопасности гидро-рьгхления видится не в наращивании мощности воздействия на пласт жидкости, а в использовании более рациональных приемов и режимов нагнетания
[I].
Низконапорное увлажнение как региональный способ воздействия на физическое состояние пласта (изменения его физико-механических и фильтрационных характеристик) считался одним из наиболее перспективных направлений разработки и совершенствования
способов изменения выбросоопасных свойств угля.
Существует мнение, что предварительное увлажнение как способ предотвращения ГДЯ, из-за низкой эффективности в условиях неразгруженных от горного давления угольных пластов и проблематичности бурения длинных скважин на выброосопасных пластах, зажатием бурового инструмента, не может получить промышленного применения. Учитывая при этом локальность проявления ГДЯ лишь в отдельных зонах, протяженность которых не более 5% от годового подвигания выработок и бесполезность обработки пластов вне этих зон, его не следует рассматривать как приоритетное направление. Предлагается прекращение увлажнения угольных пластов через длинные скважины как неэффективный, трудоемкий и небезопасный способ.
Представляется перспективным, управляя прочностью угля путем нагнетания в пласт водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ), формирование увлажненной зоны угольного массива, подготовленной для ведения технологических операций, в том числе и буровзрывных работ (БВР). При таком режиме нагнетания:
• связывается пыль, имеющаяся в пласте и пыль, образующаяся при разрушении угля - выемке и транспортировке (подавляются как крупные фракции пыли, так и респирабельные, размером менее 5 мкм, на которые приходится преобладающее количество пыли - 90-95 %; весь процесс подавления пыли осуществляется путем смачивания и обволакивания пылинок жидкостью с ПАВ, что приводит к увеличению веса пылинок и склонности их к агрегации; увлажнение при разрушении угля не дает возможности образоваться "вторичной" пыли;
• появляется возможность микро-капиллярной изоляции газа в угле (вода, подаваемая под давлением, дает возможность части газа, свободного, покинуть крупные трещины и поры, то есть вытесняет его, а часть газа закупоривается в субмакропорах и микропорах; в конечном счете, это приводит к снижению газопроницаемости пласта и уменьшает его способность выделять метан; газ, закупоренный в микропорах благодаря капиллярным силам, теряет возможность покинуть их даже при мельчайшем разрушении; поверхность микропор составляет свыше 97 % общей поверхности пор, закупорка микропор означает изоляцию в них основного количества газа; увлажнение приводит к снижению газовыделения в очистных и подготовительных выработках из обнаженного и разрушенного угля);
• образуется дополнительная система микротрещин и происходит частичное вытеснение газа;
• изменяются механические свойства угля в сторону увеличения пластических и уменьшения прочностных характеристик (происходит перераспределение напряжений вокруг и впереди выработки, зона повышенных напряжений отодвигается вглубь массива);
• происходит адсорбционное понижение прочности между поверхностями трещин и растворение солей минеральных включений - обменная и молекулярная адсорбция. (Это приводит к ослаблению угольного пласта и уменьшает энергоемкость его выемки. Появляется возможность увеличить скорость подачи комбайна и улучшить режим его работы.
Уменьшение энергоемкости разрушения и увеличения скорости подачи комбайна приводят к меньшему измель-
СМ4 СЗН8 С4Н10
Наименование газов Рис. 1. Десорбция газов в угле и угольной пыли
0.12
СН4 СЗН8 С4Н10
Наименование газов
Рис. 2. Десорбция углеводородов в угле, обработанном термовлажностной химреагентной обработкой, при различные концентрация ПАВ
чению угля, что сказывается на снижении пылеобразования при разрушении и повышению его качества. Возрастает эффективность орошения, за счет повышения общей влажности угля, гидро-филизации его поверхности. Это облегчает смачиваемость частиц пыли, образующихся при разрушении) [4].
Совместно с заведующим лабораторией кафедры «Защита окружающей среды и БЖД» РГГРУ, проф. д.г-м.н Лебедевым В.
С. были выполнены исследования оценки влияния термовлажностной химреагентной обработки угля на десорбцию высших углеводородов.
Для проведения работы использовались: угольная пыль и уголь, отобранные из шахты «Осинники», Кузбасс. Были отсеяны различные фракции, как угля, так и пыли. Хроматографический анализ данных образцов производился при температуре 200 0С, и были полученные следующие результаты рис. 1.
Из рис. 1 видно, что углеводороды, содержащиеся в необработанном угле десорбируют больше, по сравнению с десорбцией в угольной пыли.
После проведения хроматографического анализа необработанных образцов угля и угольной пыли, мы взяли пять
одинаковых частей той же фракции угля, и выдержали эти части в растворе при различных концентрациях ПАВ в течение суток (24ч.) при температуре 25 0С. По истечению времени смоченные образцы угля просушили и исследовали каждую часть в отдельности с помощью хроматографа. Хроматографический анализ обработанных образцов угля производился при температуре 150 0С, результаты исследования, которых показаны на рис. 2.
Исходя из полученных результатов, видно, что образцы угля, обработанные растворами с ПАВ различных концентраций, значительно снижают концентрацию метана в угле.
Таким образом, проведенные исследования показали следующее:
• при смачивании образцов чистой водой и 1 %-м раствором
1. Бобров А. И., Агафонов А. В., Баличенко И. И., Тимофееев Э. И., Николин В.И. Состояние и перспективы решения проблемы газодинамических явлений в шахтах. // Уголь Украины, февраль-март, 1997. - С. 9-13.
2. Кашуба О.И., Медведев Э.Н., Карпов Д.А. Пути увеличения объемов предварительного увлажнения угольных пластов. // Уголь Украины, апрель, 1997. - С.40-42.
3. Медведев Б. И., Артамонов В.Н., Николаев Е.Б. Совершенствование технологии ведения БВР в зонах гидровоздействия. // Известия Донецкого горного института. - Донецк: ДонГ -ТУ, 2000. - №2. - С.З-7.
4. Борьба с угольной пылью в высокопроизводительных забоях, изд-во "Наука" 1975. с 29-30.
ПАВ с температурой 25 0С имело место блокирования метана рабочей жидкостью, в результате чего остаточная газоносность угля повысилась по отношению к необработанному углю. Самая низкая остаточная газоносность угля определена при концентрации смачи-вателя 0,5 %.
• в результате термовлажностной химреагентной обработки угля происходит понижение его прочности, что даёт возможность современному горнодобывающему оборудованию максимально использовать свои мощности;
• применение растворов ПАВ при увлажнении угля, повышает экономическую эффективность добычи угля механическим способом.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Снижко В. Д., Недодаев Н. В., Питаленко Е. И., Ревва В. Н., Борисенко Э. В. Отработка угольных пластов в условиях влияния зон повышенного горного давления. // Уголь Украины, апрель, 1997. - С. 13-14.
6. Артамонов В. Н. Принципы поэтапного гидровоздействия на угольный пласт и эффективность его применения в шахтах // Известия Донецкого горного института. - Донецк: ДонГТУ, 1997.-№2. - С.73-79.
7. Артамонов В. Н., Бондаренко А. Ю. О возможности управления технологическими свойствами угля увлажнением краевой части пласта // Известия Донецкого горного института. - Донецк: ДонГТУ, 1995.-№ 1. - С.21-24.
— Коротко об авторе -------------------------------
Савельев Д.И. - аспирант, info@saveljev.ru Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
