Разработка методики определения производительности разрушения угольного массива скважинными агрегатами Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 13

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© В.В. Мельник, С.В. Полошков, 2001

УДК 65.011.4:622.25.002.5

В.В. Мельник, С.В. Полошков

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ УГОЛЬНОГО МАССИВА СКВАЖИННЫМИ АГРЕГАТАМИ

собую группу исследований, направленных на повышение эффективности скважинной гидравлической добычи (СГД) составляют работы по разработке методик расчета производительности основных подсистем скважинной гидродобычи, (разрушения угольного массива, безнапорного транспорта пульпы, напорного транспорта, обезвоживания угля и осветления технологической воды) базирующихся на подробных горно-геологических характеристиках угольных пластов, согласованности работы подсистем СГД и выбора надежных критериев оценки гидравлической разрушаемости угольного массива струей (или струями) [1].

С целью разработки методики определения производительности подсистемы разрушения угольного массива скважинными агрегатами детально проанализированы все существующие зависимости, нормативные документы (табл. 1) и методики: ИГД им. А.А. Скочинского [4, 5, 6], ВНИИгидроугля [3, 9, 10, 12], УкрНИИгидроугля, МГГУ [13], КузНИУИ [16], ДонНИИ [2], МГРИ им. С. Орджоникидзе [15] и др., собственные аналитические и стендовые исследования основных подсистем скважинной гидротехнологии [8].

При этом анализировались методики определения производительности: гидромониторов для подземной угледобычи (ГМДЦ-ЗМ, 12ГД-2 и др.) [7, 12, 16]; скважинных агрегатов АГС, АГС-1, КБГ [14]; агрегатов для скважинной добычи россыпных месторождений [15].

Согласно фундаментальным исследованиям ученых ИГД А.А. Скочинского в соответствии с работой [4], факторы влияющие на производительность гидравлического разрушения делятся на четыре группы (табл. 1).

Первая - это петрографические особенности и физико-механические свойства углей, которые в сущности характеризуют сопротивляемость угольного массива струйному гидравлическому разрушению.

Многими исследователями в данной области предлагались различные критерии сопротивляемости угля гидравлическому разрушению (табл. 2), а именно, ^ - приведенный коэффициент крепости; Ry - показатель сопро-

тивляемости угля гидравлическому разрушению; F - коэффициент рушаемости; f2 - объем воронки разрушения; 1//0 - удельное

глощение пласта; кт - коэффициент трещиноватости угольного массива.

К гидравлическим параметрам следует относить начальное ние Р0 МПа, воды и диаметр насадки ^, м, которые согласно работе [4] характеризуют разрушающую способность струи. По нашему нию к гидравлическим параметрам следует отнести условия вания струи или струй. Технические параметры характеризуют условия воздействия струи или струй на угольный массив (табл. 1).

Технологические параметры рактеризуют непосредственно процесс выемки угля (табл. 1).

Из анализа табл. 1 следует, что ни одна из существующих зависимостей в точной мере не охватывает даже все основные факторы, влияющие на производительность гидравлического разрушения. Например, некоторые технические и технологические факторы напрямую входят лишь в зависимости, предложенные докт. техн. наук Шавловским С.С.

Природные факторы предопределяющие сопротивляемость угля гидравлическому струйному разрушению присутствуют практически во всех зависимостях и предлагались (табл. 2) для различных угледобывающих регионов (Кузбасс, Донбасс, Караганда).

Аналитические исследования всех представленных в табл. 1 зависимостей осуществлялись при варьировании следующих факторов: природных (удельное водопогло-щение пласта ф = 0,00001-0,04 с интервалом 0,005), гидравлических (начального давления Р0 = 10,0-30,0 МПа с интервалом 10,0 МПа; начального диаметра насадки do = 0,016-0,028 м с интервалом 0,004 м); технических (начальное расстояние от насадки до забоя 10 =

0,1-15 м с интервалом 1,0 м); угол падения пласта Р = 5°-75° с интервалом 10°.

Согласно мнению многих специалистов подземной гидротехнологии, показателями наиболее точно характеризующими сопротивляемость угля гидравлическому разрушению, следует считать коэффициент удельного во-допоглащения пласта ф0 [4, 5, 6, 7, 8]

Однако изменения его абсолютного значения от 0,01 до 0,03 приводит к увеличению производительности в 1,7 раз по формуле Никонова Г.П. и в три раза по зависимости Шавловского С.С.

Таблица 2

КРИТЕРИИ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ УГЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОМУ РАЗРУШЕНИЮ

Организация исследователь, источник Критерии сопротивляемости Входящие величины

ВНИИГидроуголь, Цяпко Н.Ф., [3] N f - приведенный коэффициент крепости; / -коэффициент крепости угля по шкале проф. П.М. Протодьяконова; ц - коэффициент трещиноватости

ВНИИГидроуголь, Цяпко Н.Ф., [9] Ry Rc' Rp 3 Ry - показатель сопротивляемости угля гидравлическому разрушению; RС - предел прочности на сжатие, МПа; RР - предел прочности на растяжение, МПа.

Минин Г.Г., Алтаев Ш.А. F=340f-105 для Карагандинских углей F=260f-105 для Донецких углей F - коэффициент разрушаемости, кг/м; / - коэффициент крепости угля по шкале проф. П.М. Протодьяконова

Аленничев В.А., ИГД им. А.А. Скочинского 2 v-1 fz - 0,81D - 300 e v г h /г - объем воронки разрушения; D - наружный диаметр воронки; h - глубина воронки, м; V - объем жидкости, м.

Никонов Г.П. ИГД им. А.А. Скочинского Q Vn -— 0 P tS н в P t н Q ( 2 ^ nd„ nd l + 0 c в 4 V ^ ц0 - удельное водопоглащение пласта, м/МПа/с; Q - объем воды при нагнетании, м3; Рн - давление нагнетания, Мпа; t - время нагнетания, сек; Se - площадь водопоглощающей поверхности, м2

Никонов Г.П., Кузмич И.А., ИГД им. А.А. Скочинского K Q-К + Кс) gt -K + Vc) Km „ „ Se Se Se - площадь водопоглощающей поверхности скважины, м; ^ - объем водопоглощающей поверхности скважины, м3; Vc -объем системы нагнетания, м3; q - скорость нагнетания, м3; t - время заполнения системы, скважины и трещин водой, сек; Q - объем воды, заполнивший систему до момента разрушения, м3

Кроме этого различен и сам характер зависимости производительности струйного разрушения от коэффициента удельного водопоглощение - гиперболическая в формуле Никонова Г.П. и линейная в зависимости Шав-ловского С.С.

Угол падения Р - природный фактор, который непосредственно учитывается только в зависимостях Никонова Г.П., Кузмича И.А. и ДонУГИ. Его влияния при углах падения пласта в пределах до 25° не сказывается на производительности, а увеличение свыше 25° приводит к увеличению производительности на 1,8 т/ч на каждый градус угла наклона.

Из гидравлических, а в принципе и всех указанных основных факторов, наибольшее влияние на производительность разрушения оказывает начальное давление воды Р0. При изменении его в пределах 10,0-30,0 МПа были получены абсолютные значения производительности по различным формулам (табл. 2). Так, например, по формуле Шавловского С.С. повышение давления от 10,0 до 30,0 МПа привело к увеличению производительности в 9 раз (от 26,9 до 242,4 т/ч), в формуле Цяпко Н.Ф. в 15,6 раз (от 15,2 до 236,6 т/ч), а в формуле Никонова Г.П., Кузмича И.А. в 5,2 раза (от 46,0 до 239,1 т/ч), т.е. увеличение производительности разрушения с повышением давления происходит по всем рассматриваемым зависимостям, но на разное количество т/ч.

Весьма важное влияние на производительность гидравлического разрушения оказывает второй гидравлический фактор - диаметр насадки гидромонитора с1о. При изменении его от 0,016 до 0,028 м, было получено увеличение производительности в 3,17 раз (от 63,4 до 200,8 т/ч) в формуле Шавловского С.С., а в формуле Цяпко Н.Ф. и Никонова Г.П., Кузмича И.А. в 2,6 раза (от 54,9 до 145,11 т/ч и от 83,2 до 219,8 т/ч соответственно).

Экспериментально-аналитические исследования [8] взаимодействия гидромониторной струи с угольным массивом как физического явления приводит к анализу двух концепций:

• исследование силы удара гидромониторной струи;

• исследование потери энергии гидромониторной струей.

Анализ структуры силы удара струи об угольный массив показывает, что эта величина не может полностью оценивать производительность гидравлического, так как не является эквивалентом совершенной работы по разрушению угля в единицу времени. Рассматривая взаимодействия струи с забоем при скважинной гидротехнологии как явление гидравлического удара, имеет место прямо пропорциональная зависимость между величиной нагрузки в единицу времени и вызванная ею деформация угольного массива (если разрушение происходит), тогда производительность гидравлического разрушения при

технологии СГД предлагается определять по зависимости:

л2

П = А• Ф'П • Р1,5 •

П А 1,5 /Т Р0

Pq •v2

d,

0

0.8 + 0.2 •

l

где П - производительность гидравлического разрушения, т/ч; (р0 - коэффициент скорости насадки; р0 - плотность жидкости струи, кг/м3; Р0 - начальное давление, МПа; й0 - диаметр насадки, м; 1Н - длина начального участка, м; А - опытный коэффициент.

Значение длины начального участка определяется из следующего выражения:

1н =

о

2л + 4л-10 9•Re

где Re - число Рейнольдса.

Безусловным достоинством предлагаемой зависимости по определению производительности гидравлического разрушения при СГД является более полный учет комплекса влияющих факторов, и поэтому может вполне быть рекомендована для определения производительности различных струеобразующих устройств скважинных агрегатов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

l

1. Михеев О.В., Мельник В.В. Разработка скважинной гидравлической отработки угольных пластов. -М.: Уголь, 1999, №4. - С. 54-56.

2. Кривченко А.А. Экспериментальные исследования гидроотбойки угля на гидрошахтах Донбасса. - Автореферат диссертации канд. техн. наук -М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1962. -18 с.

3. Цяпко Н.Ф., Гефт Ю.Б. К вопросу выявления резервов производительности гидромонитора и энергоемкости гидроотбойки. Вопросы гидродобычи угля, вып. ХШ, Новокузнецк, 1968.

4. Никонов Г.П., Кузьмич И.А., Ищук И.Г., Гольдин Ю.А. Научные основы гидравлического разрушения углей. - М.: Наука, 1973, - 147 с.

5. Шавловский С.С. Основы динамики струй при разрушении горного массива. - М.: Наука, 1979. - 173 с.

6. Шавловский С.С. Метод расчета производительности гидромонитора при выемке угля в очистных и подготовительных выработках. // Разрушение углей и горных пород. Научное сообще-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Со

ние / ИГД им. А.А. Скочинского. - М., 1985, вып. 240. - С. 42-49.

7. Плетнев О.Н. Расчет производительности гидромонитора в условиях естественного пульпофор-мирования. // Технология и техника гидравлической добычи угля. //Сборник научных трудов ВНИИ-Гидроугля, - Новокузнецк, 1991 г. -С. 85-91.

8. Михеев О.В., Мельник В.В., Малышев А.Ю. Обоснования параметров технологии, добычи и процесса разрушения угля скважными гидромониторными агрегатами. - М.: МГГУ, ГИАБ, 1999, №2. - С. 25-28.

9. Методика расчета гидравлической выемки угля. - Новокузнецк, ВНИИГидроуголь, 1969. - 26 с.

10. Временная инструкция расчета производительности гидромониторной выемки угля в очистных забоях для действующих и проектируемых гидрошахт и гидроучастков Кузбасса. - Новокузнецк НИИГидроуголь, 1983. - 33 с.

11. Методика расчета производительности основных технологических процессов (звеньев) гидрошахт. -

М.: ИГД им. А. А. Скочинского, 1985. - 46 с.

12. Методика расчета гидравлической выемки угля в очистных забоях. - Новокузнецк НИИГидроуголь, 1985. - 47 с.

13. Методика расчета параметров гидравлической выемки угля в коротких очистных забоях. - М.: МГИ, 1990. - 67 с.

14. Коденцов А.Я. Гидротехнология на шахтах. - М.: Недра, 1984. -319 с.

15. Бабичев Н.И. Проектирование геотехнологических комплексов. - М.: МГРИ, 1985. -128 с.

16. Временные технологические схемы разработки крутых и наклонных угольных пластов подэтажной гидроотбойкой и инструкция по безопасному применению технологических схем разработки крутых и наклонных угольных пластов гидравлическим способом на шахтах Прокопьевского района Кузбасса. - Прокопьевск, КузНИУИ, 1996 г. -82 с.

Мельник Владимир Васильевич - доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.

Полошков С.В. - Московский государственный горный университет.