CC BY
61
СЕМИНАР 13
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© В.В. Мельник, 2001
УДК 622.234.5.001.572
В.В. Мельник
СОВРЕМЕННАЯ КОНЦЕПЦИЯ И МОДЕЛИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ УГОЛЬНОГО МАССИВА СТРУЯМИ ПРИ СКВАЖИННОЙ ДОБЫЧЕ
ассматривая скважинную и гидравлическую добычу как сложную систему, можно выделить комплекс взаимосвязанных технологических процессов и операций (подсистем): вскрытие и подготовка выемочного блока (бурение и оборудование добычных и транспортных скважин, монтаж и демонтаж оборудования различного назначения); разрушение угольного массива струей или струями в различных режимах механическим, механогидравлическим, комбинированным способом; безнапорный и напорный гидротранспорт; управление горным давлением; обезвоживание угля и осветление технологической воды, переработка и транспортировка угля потребителю (см. рисунок).
Для каждой из перечисленных подсистем характерно множество определяющих параметров. Вскрытие и подготовка выемочного блока определяется горногеологическими условиями, составом средств бурения и оборудования скважин различного назначения. Подсис-
Основные подсистемы комплексов СГД переработки и транспортировки угля потребителю
тема разрушения угольного массива, кроме характеристик горно-геологи-ческих условий, вида применяемого оборудования, включает горнотехнические параметры, к которым относятся: параметры выемочной полосы; направление выемки; размеры выемочного блока; режимы, схемы и порядок разрушения угольного массива.
Концепция повышения эффективности подсистемы гидравлического разрушения угольного массива скважинными агрегатами заключается в пооперационном анализе процессов современной гидравлической выемки, выявлении факторов, наиболее существенно влияющих на выходные параметры процесса добычи в целом, с использованием принципа максимального совмещения основных операций во времени и согласование интенсивности головной операции разрушения и пропускной способности последующих операций, а так же результатов научноисследовательских работ, изобретений, технических решений, конструкторских проработок и предложений (табл. 1). Непременными условиями при оценке методов являются их реальная техническая осуществимость и безопасность ведения горных работ.
Предложения по методам повышения эффективности гидравлического разрушения угольного массива при СГД по степени готовности, глубине исследованности, значимости и сложности разбиты на три уровня.
В первый уровень включены наиболее быстро осуществимые предложения, требующие разработки технических решений, обоснования параметров, стендовых и шахтных испытаний.
Второй уровень представлен предложениями, требующими детальных исследовательских работ, лабораторных исследований, отработки отдельных элементов и решений в целом, а также в прохождении этапов первого уровня.
Третий уровень - это предложения, требующие разработки теоретических основ, проверки принципов, поиск средств реализации предложений и прохождения этапов второго и первого уровней.
Методологический подход к определению оптимального уровня гидравлических параметров струй, а именно начального давления и диаметра насадки, заключается в следующем:
• для давления воды в определении верхней границы по критерию минимальной энергоемкости разрушения угольного массива, и нижней - по критерию совмещения во времени с операциями пульпо-формирования, безнапорного транспорта, всасывания и выдачи пульпы на поверхность.
Таблица 1
КОНЦЕПЦИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ УГОЛЬНОГО МАССИВА ПРИ СГД
Методы воздействия на динамические характеристики струи Методы воздействия на структурные и прочностные характеристики угольного массива Методы воздействия на механизмы процесса разрушения угольного массива струей или струями
Уровни повышения эффективности гидравлического раз -рушения угля при СГД (готовность, глубина исследований, значимость, сложность, срок разработки) I 1. Снижение турбулентности потока 2. Установление показателей динамических характеристик струй 1. Нагнетание воды (растворов) в пласт с многоступенчатой герметизацией скважин 1. Оптимизация гидравлических параметров оди-ночных струй (давление и расход) по критерию интенсивности разрушения. 2. Применение двух или нескольких параллельных струй. 3. Взаимодействие двух или нескольких струй, сходящихся под определенным углом и массива угля.
II 1. Воздействие на пограничные слои потоков (гидрофо-бизация в насадках, успокоителей; аэрорирование пограничных слоев) 2. Формирование струй за пределами насадки (слияние нескольких струй, уплотнение струи воздушным потоком) 1. Гидроразрыв с саморегулированием режима работы системы повышения давления - массив угля 2. Получение паспортов гидравлической разрушаемо-сти пластов 1. Оптимизация скорости перемещения струи по забою и схемы обработки забоя, возможности управления параметрами схем обработки забоя
III Воздействие на частотные характеристики струй с целью увеличения их разрушающей способности 1. Воздействие на частотные характеристики массива вибронагнетателями воды с целью разрыва связей между отдельностями определенной крупности. 2. Воздействие на частотные характеристики массива с целью изменений их в нужном направлении 1. Совмещение частотных характеристик струй и массива (пиков концентрации энергии в спектре струи и пиков поглощения энергии в массиве)
• для расхода воды (при одиночной струе) в определении верхней границы по критериям энергоемкости разрушения и предельных значений консистенции, и нижней - по критериям дальности действия струи и несущей способности потока.
Имеющиеся сведения об оптимальных для разрушения угольного массива давлениях относятся в основном к тонкоструйному разрушению [1, 2].
Что касается гидромониторных струй, то рассмотрение динамической задачи упругости дает основание полагать, что скорость распространения волны напряжений (скорость распространения звука в массиве С) пропорциональна скорости удара струи, поэтому очевидно, что скорость струи
V, а следовательно и давление воды перед насадкой Р не имеет смысла увеличивать свыше.
V < С, м/с, (1)
С 2
Р <-----, МПа. (2)
196
Согласно исследований [3, 4], граница предельного значения давления опускается еще ниже и определяется из отношения
V <0,1С (3)
Учитывая, что скорость звука в угле снижается с увеличением трещиноватости, данный подход следует признать логичным.
Поскольку скорость звука для углей изменяется от 1100 до 2500 м/с, то предельные значения давления разрушения угольного массива согласно [3] будут находиться в диапазоне от 6,2 до 32,0 МПа.
Оптимизация расхода, по имеющимся рекомендациям ведется, по критерию длины струи [5]. Диаметр насадки и расход выбираются таким образом, чтобы длина начального участка и рабочая длина струи были максимальными.
Исследованиями установлено, что для каждого комплекса горно-геологических условий существуют свои оптимальные значения давления и расхода воды, обеспечивающие наилучшие значения консистенции и энергоемкости процесса разрушения угольного массива в целом.
В целом концепция направлена на улучшение показателей головной операции скважинной гидравлической добычи - разрушения угольного массива, т.е. подразумевается улучшение следующих показателей и технических характеристик: увеличение интенсивности разрушения, снижение энергоемкости разрушения, уменьшение удельного расхода воды, увеличение дальности действия струи, управление крупностью отбитого угля.
Следует особо выделить показатели (характеристики), связанные с созданием предпосылок для автоматизации управления операцией разрушения при скважинной гидротехнологии: снижение неравномерности выхода угля из забоя; упорядочение схем обработки забоя; снижение числа изменяющихся в процессе выемки параметров или степени их изменчивости.
В соответствии с рассматриваемой концепцией возможности улучшения операции разрушения при СГД угля рассмотрены в трех аспектах:
• формирование струи или струй с позиции улучшения её свойств (плотности, распределения скоростей, структуры) и характеристик (разрушающей способности, дальнобойности);
• предварительная обработка угольного массива с позиции изменения его физико-механических и структурных характеристик;
• совершенствование механизма разрушения улучшением взаимодействия струй и массива.
Повышение эффективности скважинной гидравлической выемки угля может быть достигнуто методами воздействия на:
- динамические характеристики струй;
- структурные и прочностные характеристики угольного массива;
- механизм процесса разрушения угольного массива.
Повышение эффективности гидравлической выемки с
точки зрения управления динамическими характеристиками струи сводится к обеспечению оптимальных её характеристик в точке контакта с массивом угля.
Сила воздействия струи пропорциональна следующим величинам
R = (4)
где d - диаметр насадки, м; р - мощность воды, кг/м3; Q - расход воды, м3/час; Р - давление воды, МПа.
Следовательно, методы повышения эффективности гидравлического разрушения сводится к поддержанию в точке контакта струи и массива на оптимальном для данных условий уровне параметров р, Q, P, то есть в качестве методов повышения эффективности гидравлического разрушения при СГД должны рассматриваться методы непосредственного воздействия на параметры, характеризующие взаимодействие струи с массивом.
С точки зрения повышения эффективности использования подводимой к скважинному гидромониторному агрегату энергии её концентрация в точке контакта должна быть максимально возможной, что позволяет обеспечить высокую плотность струи р и удельное давление на забой AP.
Одним из методов повышения плотности является использование эффекта соударяющихся струй на участке, где они имеют воздушно-капельную структуру, вследствие чего увеличивается их плотность за счет слияния отдельных капель и повышения концентрации капель в единице объема. Косвенным показателем плотности является размер отдельной капли, который для соударяющихся струй d2 согласно [6] определяется из соотношения:
dk = I22d0Wf0-25 sin_0-5 а, м (5)
где d 0 - диаметр насадки, м; W - критерий Вебера для
струи; а - угол схождения струй.
Формула (5) позволила установить, что:
- крупность капель и плотность струи увеличивается с уменьшением угля соударения наиболее быстро в зоне до
30;
- при реальных размерах выемочного блока при СГД угля для обеспечения наиболее эффективных углов соударения база между осями поворота стволов должна быть порядка 0,15 м.
Нарушение компактности струи (распыление), является следствием её турбулентности при прохождении проточной части гидромонитора, в частности при поворотах потока и его ускорении.
По мнению ученых ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочин-ского [1, 2, 5, 9], характеристикой компактности струи может быть угол её расширения. Однако, с точки зрения удобства и точности измерения, более пригодной, по мнению специалистов ВНИИгидроуголь [8], является длина начального участка струи, непосредственно входящая в формулу эффективной длины струи.
Ко второй группе методов повышения эффективности разрушения угольного массива следует отнести методы воздействия на параметры, определяющие турбулентность потока в проточной части скважинного гидромониторного агрегата или струеформирующего устройства. В настоящее время меры, предпринимаемые для успокоения потока, ликвидации формирующейся турбулентности, по крайней мере наиболее крупных вихрей, не имеют под собой прочной базы в виде теоретических и планомерных экспериментальных исследований. Об этом в частности свидетельствуют данные сравнительных испытаний различных
типов успокоителей, проведенные в ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского и УкрНИИгидроуголь.
Режимы ускорения потока (оптимальная степень поджа-тия, допустимые ускорения, необходимость и возможность его успокоения) изучены недостаточно. По данным ВНИИ-гидроуголя перспективными представляются исследования с целью создания проточной части гидромонитора с многоступенчатым ускорением потока [7]. Режим течения потока в проточной части гидромонитора в значительной части определяется характеристиками пограничного слоя, поэтому в качестве возможного метода снижения турбулентности предлагается гидрофобизация поверхности проточной части, включая насадку, а также аэрации пограничного слоя на участках, где нет статического давления.
С целью повышения компактности струи целесообразно использовать также методы воздействия на пограничный слой струи на поверхности её соприкосновения со средой распространения - воздухом.
Одним из методов повышения эффективности гидроотбойки может стать управление частотными характеристиками струй [8]. Частоты собственных колебаний струи при ее взаимодействии с угольным массивом могут быть определены по следующей зависимости:
р _ 4С^е ^ ( р2 )1.25 ( И-\ )2
(1 +103 Р2)3 р1 ^2 р1
(6)
2 РтУ «п
где We = —2-------0 - критерий Вебера для среды;
8
а^рлё
Ьр =-2— - критерий Лапласа для струй; рх, р2 -
М1
плотность соответственно воды и воздуха; /Л1, /Л2 - динамический коэффициент вязкости для воды, воздуха.
Поскольку распад струи вызывается волновым процессом, причем длина волны определяет размер капель, на которые распыляется струя, целесообразно, с целью их укрупнения, генерировать в струе низкочастотные колебания. Оптимальным вариантом будет, если они в то же время совпадут с пиками спектра поглощения или частотами, необходимыми для приведения в резонанс кусков угля определенных размеров.
Предложения, конкретизирующие использование методов повышения эффективности разрушения угольного массива струей или струями, представлены в табл. 2.
В силу значительного разнообразия горно-геологических условий и довольно широкого диапазона изменения прочностных и структурных характеристик массива, динамические характеристики струи не всегда могут соответствовать наиболее эффективному разрушению массива.
Исследованиями [1, 9] и практикой установлено, что наиболее эффективным способом предварительного воздействия на массив с целью подготовки его к выемке, является способ нагнетания воды в угольный пласт под давлением. Установлено, что при выемке ослабленного нагнетанием воды угольного пласта производительность гидравлического нагнетания при выемке увеличивается более чем в два раза по сравнению с выемкой неослабленного массива.
В целях совершенствования данного способа подготовки массива к разрушению, увеличения зоны ослабления массива, сокращения количества пунктов нагнетания, снижения трудоемкости производства работ по нагнетанию, в качестве предложения по воздействию на структурные и прочностные характеристики массива на первом этапе предлагается применение гидропропитки и нагнетания воды с использованием схемы многоступенчатой герметизации скважины, то есть осуществляется ступенчатое ослабление массива.
Предварительная подготовка массива с целью снижения энергоемкости разрушения основывается на разрыве сил сцепления слоев угля, расширении имеющихся трещин, заполнении трещин жидкостью для усиления гидравлического клина во время гидравлического разрушения. Процесс гидравлического разрушения массива должен строиться на принципе отрыва слоев от массива, а не разрушения самих слоев, так как энергоемкость разрыва связи между слоями ниже энергоемкости разрушения отдельных кусков.
Следует отметить, что технические решения по улучшению характеристик струй и подготовке массива к разрушению в конечном итоге направлены на увеличение использования энергии струи при гидравлическом разрушении угля.
С целью упрощения подхода к представлению физической сущности процесса разрушения, рассматривается встреча струи с плоской преградой, расположенной либо нормально к оси струи, либо под каким-то углом к ней, иногда рассматриваются локальные случаи "затопления" струи в выемках ею же образованных. В условиях же реального забоя почти не встречаются случаи, когда угол встречи струи и поверхности забоя близок к прямому углу. Разнонаправленность обнажений, малый удельный вес относительно ровных поверхностей, чередование уступов и впадин предопределяет невыгодные режимы работы одиночной струи.
Таблица 2
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ УГОЛЬНОГО МАССИВА СТРУЙ ИЛИ СТРУЯМИ
Предложения по повышению эффективности разрушения угольного массива при СГД Способы решения задачи Полученный эффект
1. Непосредственное воздействие на параметры
1.1. Оптимизация давления воды Р Снижение энергоемкости процесса
1.2. Оптимизация расхода воды Q
1.3. Увеличение плотности струй р путем использования спутных сливающихся струй Укрупнение отдельных капель за счет их слияний, увеличение количества капель в единице объема за счет взаимопроникновения Повышение силы удара струю
2. Воздействие на параметры, определяющие турбулентность потока в проточной части гидромонитора
2.1. Переход на оптимальный режим ускорения потока Исследование влияния и оптимизация величины ускорений, степени поджатия, ускорение потока с целью снижения выхода вихре-образования (А.С.№1378207) Снижение степени турбулентности, повышение компактности и дальнобойности струй, повышение износостойкости
2.2. Изменение гидравлической шероховатости поверхности проточной части воздействием на пограничный слой Гидрофобизация поверхности за счет применения новых несмачиваемых материалов и покрытий. Аэрорирование пограничного слоя подачей воздуха в пограничный слой (А.С.№ 691637) Изменение эпюры скоростей. Снижение потерь давления. Снижение степени турбулентности.
2.3. Улучшение структуры турбулентных вихрей путем оптимизации параметров успокоителей Исследование процессов вихреобразования и подавление вихрей различными конструкциями ускорителей ( А.С. № 262815, 247190, 8720251) Снижение степени турбулентности.
2.4. Изменение физических свойств воды (вязкости и др.) Электрообработка с целью изменения РН Повышение компактности струи
3. Улучшение взаимодействия струй со средой Создание воздушного спутникового пограничного слоя путем обдува струи Повышение компактности струи
4. Управление частотными характеристиками струи Концентрация энергии струи в диапазоне частот, соответствующем резонансным частотам определенного размера, снижение частоты волнового распада струи путем применения гидродинамических и механических генераторов колебаний Повышение эффективности разрушения. Регулирование крупности отбиваемого угля. Улучшение капельной структуры струи, ее компактности и повышение тем самым плотности
Таким образом, оценка реальности обстановки в забое с позиций взаимодействия струи и забоя по критерию наилучшего угля встречи, максимального использования энергии струи и способности массива воспринять ее позволяет сделать вывод о том, что одиночная струя работает в наиболее выгодном режиме эпизодически и доля его весьма мала в общем балансе процесса разрушения. Это
является главной причиной весьма низкого КПД процесса гидравлического разрушения и высокой ее энергоемкости, особенно в условиях малых проявлений горного давления.
Как известно, были попытки заменить одну гидромониторную насадку многоствольным гидромонитором.
Имеется целый ряд публикаций и авторских свидетельств по этому вопросу, как у нас, так и за рубежом.
Исследованиями [8] установлено, что относительная эффективность разрушения взаимодействующими струями зависит от расстояния между струями, расстояния между насадкой и забоем, прочностных и структурных характеристик разрушаемого массива, параметров и свойств струй, угла встречи струй с массивом и некоторых других факторов.
Установлено, что при малом расстоянии между взаимодействующими струями интенсивность разрушения ниже суммарной интенсивности одиночных струй. Уменьшение интенсивности разрушения объясняются тем, что струи теряют энергию при соударении. По мере увеличения расстояния между струями до некоторого предела интенсивность разрушения возрастает за счет двухстороннего воздействия на участок массива заключенный между этими струями, причем интенсивность разрушения значительно превосходит удвоенную интенсивность одиночной струи [9]. При дальнейшем увеличении расстояния между струями имеет место снижение интенсивности разрушения за счет ослабления эффекта взаимодействия струй и на некотором удалении друг от друга струи работают как независимые.
Интенсивность разрушения при взаимодействии струй может быть увеличена за счет использования эффекта клина, что достигается взаимодействием струй направленных под определенным углом друг к другу.
Одним из главнейших условий реализации практически любых решений по улучшению динамики струй, воздействию на состояние массива, взаимодействию массива и струи является обеспечение близких к оптимальным скоростей перемещения струи по поверхности забоя.
Экспериментальные данные, практический опыт свидетельствует о том, что при прочих равных условиях, оптимизация скорости перемещения струи по забою может обеспечить 2^3 кратное увеличение интенсивности разрушения. Немаловажное значение имеет так же непрерывность перемещения гидравлического агрегата.
В данной работе разработана концепция повышения эффективности головной операции скважинной гидродобычи, а именно, гидравлического разрушения угольного массива. Данная концепция включает три уровня повышения эффективности гидравлического разрушения при СГД и методы воздействия на: динамические характеристики струи; структурные и прочностные характеристики угольного массива; механизмы процесса разрушения угольного массива струей или струями.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузьмич И.А., Гольдин Ю.А. Разрушение горных пород струями воды высокого давления. - М.: недра, 1986. - 143 с.
2. Никонов Г.П., Кузьмич И.А., Ищук И.Г., Гольдин Ю.А. Шучные основы гидравлического разрушения углей. - М: ^ука, 1973. - 143 с.
3. Фармер Дж. В., Атуэлл П.Б. Разрушение породы высокоскоротны-ми струями воды. International Rock and Mining Sciens, 1965, V.2, №2.
4. Крамер Т. Исследование гидравлических установок с водяной струей высокого давления для добычи угля. Материалы 5 Международного симпозиума по струйной технологии, 1980.
5. Шавловский С. С. Основы динамики струй при разрушении горных масс. - М.: Наука, 1979. - 173 с.
6. Дитякин Ю.Ф., Клячко Л.А., Ягодин В.И. Распыливание жидкостей. - М.: Машиностроение, 1977. -209 с.
7. Плетнев О.Н., Бардышев А.Б. Совершенствование струеформирования в гидромониторах // Совершенствование способов и средств гидравлической добычи угля. - Сборник трудов ВНИИ-Гидроуголь. - Новокузнецк, 1989. - С. 68-78.
8. Плетнев О.Н., Хазов В.М., Бартышев А.В., Литвинов Ф.И., Гефт Ю.Б. Некоторые вопросы гидравлического струйного разрушения материалов. // Совершенствование
способов и средств гидравлической добычи угля. - Сборник трудов ВНИИГидроуголь. - Новокузнецк, 1989. - С. 59-65.
9. Исследования гидравлического разрушения угля. Коллективная монография. - М.: Наука, 1968. - 188 с.
10. Мельник В.В., Малышев А.Ю. Результаты аналитических исследования процессов формирования струй и разрушения угля скважинными агрегатами. - М.: ГИАБ МГГУ, 1997, №3.
- С. 170-172.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
CD
'S. Мельник Владимир Васильевич - доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.
и
