CC BY
22
НАР 5 :
КЛАД НА СИМПОЗИУМЕ '"НЕДЕЛЯ Г
МОСКВА, МГГУ, 31 января & 4 февраля 2000 года
Б.М. Иванов, П.И. Томилин.
Субботин, В.Б. Артемьев, ' -
Юзик, 2000 ■
■
УДК 622.273
Б.М. Иванов, П.И. Томилин, А.И. Субботин,
В.Б. Артемьев, В.В. Юзик
ТЕХНОЛОГИЯ ВИБРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ УГОЛЬНО-ПОРОДНОГО МАССИВА С ЦЕЛЬЮ
лі/тмсипгтм
В
условиях продолжающейся реструктуризации угольной промышленности России на 40 шахтах, разрабатывающих пологонаклонные выбросоопасные и газоносные (сверкатегор. и Ш категории) пласты ежегодно осуществляется проходка более 100 подготовительных забоев. Угли пластов относятся, как правило, к наиболее ценным коксующимся маркам. Проведение горных выработок в ряде случаев сопровождается газодинамическими явлениями (ГДЯ) и мощными взрывами газа и угольной пыли.
В качестве основных профилактических мероприятий применяется предварительная дегазация выемочных полей, бурение опережающих или газо-дренажных скважин различного диаметра и глубины и гидрообработка в различном режиме. Вместе с тем, ГДЯ происходят при полностью выполненных мероприятиях и в процессе их выполнения, что обуславливает необходимость разработки и внедрения новых способов предотвращения этих явлений.
Результаты исследований Института Физики АН СССР по интенсификации добычи нефти и газа показали, что слабые вибровоздействия освобождают запасенную энергию в виде сейсмических колебаний. Воздействие виброударных волн увеличивает проницаемость пористых сред, причем это увеличение связано с длительностью вибровоздействия, частотой ударов, величиной импульса воздействия и начальной пористостью. Вибрация способна изменить и реологические свойства жидкостей - вязкость и поверхностное натяжение.
Неоднократные попытки применения вибраторов различного типа в угольной промышленности не нашли продолжения из-за отсутствия специального оборудования. Новые возможности для управляемого воздействия на угольный пласт появились с разработкой погружных пневмогидравлических источников импульсов высокого давления (ПГИ). Их отличает относительно большая энергия одиночных импульсов (3-15 кДж), плавное регулирование частоты следования (до 5 Гц), передача волновой энергии в массив через столб воды, регулирование спектрального состава импульса [1].
ПТИ работает следующим образом. Демпферная полость 5 и пневмоаккумулятор 6 заряжаются на поверхности от баллона или компрессора сжатым воздухом до давления, составляющего соответственно 0,5 и 0,7 давления жидкости в рабочей камере. От шахтного насоса вода под давлением поступает в полость поршня 2, заполняя камеру 1, а через отверстие 9 - в полость 8. Поршень 2 при этом находится в исходном положении, разъединяя выхлопные окна 3 и камеру 1. По мере роста давления жидкости поршень 7 перемещается вниз, дополнительно сжимая воздух в пневмоаккумуляторе. При перемещении поршня 7 в крайнее нижнее положение давление жидкости в камере 1 резко возрастает и в определенный момент сила, действующая на нижний фланец поршня 2, превышает сумму сил, действующих на его верхний фланец и промежуточный поршень 10. В результате этого поршень 2 перемещается вверх. При отрыве поршня 10 от днища полости 8 он становится неуравновешенным и сила, действующая на нижний фланец поршня 2, намного превышает силу от давления воздуха на его верхний фланец. Происходит ускоренное движение поршня 2 вверх. При этом открываются выхлопные окна 3. Давление жидкости в камере 1 падает, и поршень 7 вытесняет жидкость в окружающую среду. После выхлопа под действием давления воздуха в демпферной полости 5 поршень 2 занимает исходное положение.
При поступлении жидкости в полость поршня 2 процесс выхлопа повторяется.
Ниже приводится техническая характеристика ПТИ с объемом рабочей камеры 0,2 дм3.
Техническая характеристика ПГИ
Рабочее давление жидкости, Мпа 25
Количество жидкости на одиночный импульс, дм3
0,2-1,0
Частота повторения импульсов, Тц 0,1-2
Диапазон частот одиночного импульса, Тц 20-350 Энергия одиночного импульса, кДж 3-15
Давление воздуха при заправке ресивера и
пневмоаккумулятора, Мпа до 10
Рис. Конструктивная схема ПТИ.
1 - рабочая камера; 2 - золотниковый поршень; 3 - выхлопные окна; 4 - корпус; 5 - демпферная полость; 6 -пневмоаккумулятор; 7 - поршень; 8 - промежуточная полость; 9 - отверстие, соединяющее полость поршня 2 с промежуточной полостью 8; 10 - промежуточный поршень.
Диаметр корпуса источника, мм 60-100
Длина корпуса источника, мм 650-1000
Масса источника, кг 10-20
Глубина погружения в скважину на насосных
трубах или гибких рукавах, м до 6-11
Диаметр погружной скважины, мм, не менее 90-130
Общий ресурс, число срабатываний, не менее 200 тыс.
При выхлопе порции жидкости ПГИ в воде, заполняющей скважину, генерируется сложный акустический сигнал, состоящий из нескольких импульсов давления и разрежения, соответствующих периодам расширения выбрасываемой жидкости и схлопывания вакуумной полости. В массиве при этом возникают знакопеременные, виброударные волны, вызывающие попеременные деформации сжатия и разжатия. В трещиноватом газонасыщенном массиве это приводит к увеличению газо- и водопроницаемости среды, изменению ее физико-механических и фильтрационных свойств.
Принципиальное значение имеет схема размещения скважины (скважин) для виброимпульсного воздействия на газоносный призабойный массив.
При проведении горных выработок по выбросоопасным пластам мощностью, соизмеримой с высотой выработки, скважина для ПГИ бурится под пласт по породам почвы под углом до 35о на глубину 6-11 м. На мощных пластах при проведении выработок по верхнему слою, скважина для ПГИ бурится по прочной угольной почве с теми же параметрами. Этим достигается весьма положительный двойной эффект: исключается возникновение ГДЯ в процессе бурения скважин, обеспечивается максимальная передача энергии виброимпульсов окружающему массиву через объем воды, заполняющий скважину. Безопасность при ВИО обработке обеспечивается малой энергией одиночных импульсов по сравнению (например) с гидроотжимом и др. мерами.
Эффективность ВИО выбросоопасного массива при проведении горно-экспериментальных работ на шахтах: «Чайкино» АО «Макеевуголь», им. В.И. Ленина АО «Карагандауголь»,
«Западная» АО «Гуковуголь» контролировалась нормативными методами по динамике поинтервального газовыделения и выхода штыба, а также по изменению газовыделения (по данным аппаратуры контроля метана) и сейсмоакустической эмиссии до и после ВИО. Так на шахте «Западная» динамика поинтерваль-ного газовыделения перед одиночным циклом проходки показывала максимальные значения 7,0 - 19,4 л/мин. Призабойный массив подвергался ВИО в объеме 350-600 импульсов, повторная динамика газовыделения показала максимальное значение менее 5,0 л/мин. Кроме того, ВИО массива приводила к изменению общего газовыделения при проходческом цикле в 1,5-2,5 раза. На шахте им. В.И. Ленина после виброобработки газовы-деление из серии газо-дренажных скважин диаметром 250 мм и длиной 11 м уменьшилось в 2 раза, а неравномерность газовы-деления из скважин снизилась более чем в 3 раза (коэффициент вариации газовыделения из скважин до ВИО был равен 68,1 % после ВИО - 20,1 %), что исключило случаи технологических перерывов в бурении из-за возможного загазования выработки. Радиус эффективного воздействия ВИО равнялся 9-11 м при объеме 400-600 импульсов с частотой следования 8-15 импульсов в минуту, что обеспечивалось высоконапорным насосом типа УГН с давлением воды до 30 МПа и расходом порядка 35 л/мин.
Таким образом, шахтные испытания способа ВИО призабойного массива показали высокую эффективность по снижению выбросоопасности и управления газовыделением при проведении подготовительных выработок комбайнами и с помощью БВР. Скважины для ПГИ необходимо бурить в породах почвы под пласт под углом до 35о или в прочной пачке угольного пласта на глубину 6-11 м.
Эффективность ВИО достигается при 400-600 виброимпульсов. Время ВИО ограничивается 60 мин при частоте 8-15 импульсов в минуту.
Эффективный радиус влияния ВИО для рассмотренных горно-геологических условий равен 9-11 м.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Томилин П.И., Крупеня В.Г., Артемьев В.Б. и др. Шахтные испытания пневмогидравлического ис-
точника импульсов давления для предотвращения внезапных выбросов угля и газа. // Аэрология: Науч-
ные сообщения./ Институт горн. дела им. А.А. Скочинского, 1997. Вып. 305, с. 49-56.
ИГ1
Иванов Б.М. профессор, докюр юхничсских наук, Национальный научный цешр т-
сударственное предприятие институт горного дела им. А.А. Скочинского.
Томилин П.И. — кандидат технических наук, Национальный научный центр государственное предприятие институт горного дела им. А.А. Скочинского.
Субботин А.И. — Национальный научный центр государственное предприятие институт горного дела им. А.А. Скочинского.
Артемьев В.Б., Юзик В.В. АО «1 'укову| о. и,».
