CC BY
71
УДК 622.272.63 М.В. Павленко
ВИБРАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ КАК МЕТОД УВЕЛИЧЕНИЯГАЗООТДА ЧИИЗ МАССИВА ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К БЕЗОПАСНОЙ ОТРАБОТКЕ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
Ж Ж звестные в настоящее время мероприятия, применяемые
Ж А. для снижения газообильности добычных участков: дегазация угольных пластов, применения локальных и региональных методов подготовки выемочных полей - дают возможность частично снизить поступление метана в выемочные пространства лав. Все это в значительной мере еще не достаточно снижает не только общую газообильность выработок выемочного поля, но и очистных забоев.
В связи с этим проводится поиск метода, применение которого позволил бы в значительной мере снизить поступление метана из угольного пласта в выработки, для обеспечения подготовки очистных работ к безопасной отработки. Таким методом может служить вибрационное воздействие на низкопроницаемый угольный массив, позволяющий увеличить газоотдачу из пласта на участке воздействия.
Для проведения вибрационного воздействия на угольный пласт через подземные шпуры был выбрано поле шахты № 17 ГОАО «Шахтоуправление им.17 Партсъезда» ГХК «Шахтерскан-трацит». Вибрационное воздействие на угольный пласт осуществлялось из горных выработок через подземные шпуры.
Требования накладываемые на выбор места заложения подземных шпуров вибровоздействия с одной стороны диктуются геологическими и технологическими условиями разрабатываемого участка пласта (наличием участков высокой газоносности, геологических нарушений, действующих горных выработок по падению и простиранию и т.д.), а с другой стороны - условиями реализации энергии вибрации в угольном пласте для увеличения газоотдачи.
геская характеристика угля пласта К-2
Максимальная газоносность, М3/т 41,7-45,0
Газонос- ность, м3/т о о СО
Объемный вес, т/м3 чэ со т—Н
Порис- тость, % чО т—<
Рабочая влага, % 2,7
Содер- жание серы, % 0,8
Содер- жание золы, % 00 со' т—1
Выход лету- чих, % 1—I ю"
Глубина залегания, м 520
Марка угля <
Ин- декс пласта см
Шахта № 17 ГОАО “Шахтоуправление им. 17-го Партсъезда” ГХК “Шахтерскан-трацит” занимает особое место среди других шахт этого региона. Пласты участка шахты отличаются высоким газовыделени-ем. Относительная газообильность в среднем по шахте составляет 40 м3/т.с.д. и выше. Максимальная газоносность 41,7 и 45,0 м3/г.с.б.м. отмечена на поле шахты № 17 при отработке угольных пластов К-3, К-2-2, К-2.
Отмечено, что в дальнейшем при отработке пластов возможны суфлярные выделения метана.
Пласт по внезапным выбросам угля и газа не опасен, разрабатывается с прогнозом, под защитой пласта К2, к самовозгоранию не склонен, по пыли не опасен.
Промышленный эксперимент проводился на пласте К-2, техническая характеристика угля представлена в таблице.
Уголь блестящий, хрупкий, крепкий, однородный, наблюдаются включния колчедана в виде гнезд 3x10 см по 3 штуки на 1 пог. м., трещиноватый, трещены через 3-5 см, контакт с кровлей четкий, связь слабая.
Мощность пласта К2- составляет 0,6-0,8 м; марка угля -А; природная газоносность-30-40 м3/т; пласт пологий; глубина проведения исследований по вибрационному воздействию составила - 520 м. Участок проведения вибровоздействия с постоянным обнажением угольного пласта выбран вентиляционный Восточный бортовой уклон.
Газопроницаемость угольных пластов при вибровоздействии, определяемая, в основном проницаемостью эндогенных тре-
щин и находится в прямой зависимости от времени и глубины действия вибратора в угольном пласте.
Сущность вибрационного воздействия на угольный пласт через подземные шпуры, заключается в передаче энергии вибрирующего элемента непосредственно на стенки шпура, создания в пласте областей с повышенной степенью трещиноватостью, приводящих к разгрузке массива и обеспечение увеличения скорости газоотдачи из низкопроницаемого угольного пласта.
На поле шахты залегают и отрабатываются пласты К-3, К-2-2, К-2, марка угля А. Характеристика пласта К2 и вмещающих пород представлена на рис. 1
Для осуществления воздействия осуществлялось бурение шпуров диаметром 42 мм и глубиной 1,8 м. С помощью пневматического герметизатора помещенного в шпур на глубину 0,2-0,3 м и расходомера (прибора ПГ-2м) присоединенного к затвору производили замеры газовыделения, при этом замерялась скорость газовыделе-ния из пробуренного шпура в течение всего времени воздействия. Для проведения эксперимента изготавливалась конструкция вибратора на базе используемого в шахтных условиях электрического сверла типа СЭР-19Д с приведенной мощностью на валу равной 90 Нм. Для создания в пробуренном шпуре интенсивного вибрационного поля на конце штанги укреплялась изготовленная специальная конструкция (эксцентрик) позволяющая создавать эффективное волновое поле в зоне обрабатываемого участка пласта с частотой 15-17 Гц и амплитудой 1,0-1,5 см.
Для установления количественных характеристик газовыделе-ния из массива в процессе вибровоздействия параллельно друг другу бурились шпуры на расстоянии 0,3-1,5 м друг от друга. В данной конструкции использовалась штанга, выполненная из витой стали длиной 1,8 м и диаметром 40 мм.
По зависимостям скорости газовыделения установлено, что в необработанной зоне начальная скорость газовыделения составляла 0,25 л/мин, на участке воздействия эта величина повышалась до 0,50,6 л/мин при расстоянии между шпурами 0,8-1,0 м, а при расстоянии 0,25-0,3 м газовыделение достигало 1,75 л/мин (рис. 2).
Установлено, что уровень газоотдачи возрастает по мере увеличения глубины подачи штанги в пробуренный шпур и имеет максимальное значение на участке воздействия, что под-
Азимут, угол падения пласта, его структура М 1 : 50 Азимут, угол падения основных трешин. Качественная и горногеологическая характеристика пласта Нормальный разрез боковых пород пл. М 1 : 100 Литологическое описание пород, трещиноватость, обводненность, устойчивость
Азимут паления пласта 17° Угол паления пласта 10—11° Ожидаемая структура пласта по линии забоя лавы Ожидаемая средняя мощность пласта по лаве Общая геологическая 0,73 м Общая полезная 0,71 м Полная вынимаемая 0,73 м Ожидаемая среднегодовая длина лавы 200 м ПДАС 6 ПП% 0,58у—8,8 1,57 Ас—13,8 0.02..г 71,7 2,31 Бобс— 0,8 ОДЗу.15,2 1,64 V— 5,1 иР— 2,7 Аэкс—18,3 % Описание слоев угля и природных прослоев: 1. Уголь блестящий, хрупкий, крепкий, однородный, с раковистым изломом, наблюдаются включения колчедана в виде гнезд 3x10 см по 3 ипуки на 1 пог. м. Трещиноватый, трещины через 3—5 см. Контакт с кровлей четкий, связь слабая. 2. Сланец глинистый, темносерый, крепкий, контакты с углем четкие, связь прочная. 3. Уголь блестящий, тонкополосчатый, слоистый, переслоен тонкими прослойками глинистого сланца, крепкий, хрупкий, с неровным узломом и осколочной отдельностью. Трещиноватый, трещины через 2—5 см. Контакт с почвой постепенный, связь слабая. Оіносиїельная газообильносіь 26,6 м3/т.с л. План по внезапным выбросам угля и газа не опасен, разрабатывается с прогнозом, под зашитой пласта к2г, к самовозгоранию не склонен, по пыли — не опасен. Породы почвы и кровли взяты по скв. №С-313, расположенной в 220 м от разреза лавы и по горным работам. 1 ЁЭ 0,30 2 ~ 5,30 3 0,10 4 5? 0,20 5 Н 4,40 обр -I- 0,50 К2 6 И 0,73 7 Щ 0,60 8 Щ 13,5 1. Известняк серый, скрытокристаллический, с тонкими прожилками кальцита и обломками окальцигизированной фауны, среднеобрушающийся, категория Аг. 2. Сланец, песчаный, однородный, темносерый, горизонталь-нослоисгый, плотный, крепкий, слюдистый, слаботрещиноватый, среднеобрушающийся, категория Аг.. 3. Уголь блестящий, однородный, тонкополосчатый, хрупкий, крепкий, с раковистым изломом. Контакт с породами четкий, связь слабая. 4. Сланец углистый, черный, гориэонтальнослоисгый, мягкий, связь с нижним слоем слабая. 5. Сланец песчано-глинистый, темносерый, с включениями сидеритовых конкреций и отпечатками флоры, слоистый, мощность слоев 0,05—0,50 м, связь между слоями слабая, в нижней части слоя мощность 0,50 м. Местами с включениями рыхлого сланца глинистого. Трещиноватый, по 5—7 трешин на 1 пог. м., неустойчивый, кат. Бг. 6. Угольный пласт Кг. Лава сухая. 7. Сланец песчаный, темносерый, комковатый, крепкий, с редкими зеркалами скольжения, вверху слоя «кучерявчик», склонный к пучению. Среднеустойчивый, категория Пг- Почва подрывается 1 раз в год по 0,5 м. 8. Песчаник мелкозернистый, кварцевый, крепкий, слаботрещиноватый, по 1 трещине кап. м. Среднеустойчивый, категория Пг- Управление кровлей — полное обрушение. Акты на определение шага обрушения не составлялись. Длина разреза — 210 м. Длина лавы на момент ввода в работу — 190 м. Пласт отработан по восстанию от лавы, надработан пл. Кг2 и пл. Кз в 1976—1978 гг. На расстоянии соответственно 42 и 65 м: по нормали.
Рис. 1. Описание пласта К-2 и вмещающих пород ГО АО (Шахтоуправление им. 17-го Партсъезда) ГХК «Шахтер-скантрацит»
Рис. 2. Метановыделение из подземных шпуров пласта К2 при вибрационном воздействии, в зависимости от расстояния до шпура с вибратором: L - длина шпура, м; q - газовыделение, л,/мин; 1 - расстояние между шпурами 20 см; 2 - расстояние между шпурами 40 см; 3 - расстояние между шпурами 60 см; 4 - расстояние между шпурами 80 см; 5 - расстояние между шпурами 100 см; 6 - расстояние между шпурами 150 см
тверждает результат эффективного снятия метана на участке воздействия. Результаты промышленных экспериментов позволили определить рациональное расположение шпуров вибровоздействия на участках воздействия с целью оценки их эффективного расположения для оценки максимального газовыделения угольного пласта. Для осуществления контроля за газовыделением из пластовых шпуров используется расходомер (прибор ПГ-2м) и гибкий герметизатор. Количество шпуров в технологической схеме по вибровоздействию определяется требуемой площадью обработки пласта на данном участке, а также обеспечение необходимой степени дегазации.
Для обеспечения охвата наибольшего участка угольного пласта, подвергаемого вибрационному воздействию необходимо определять оптимальное количество буримых шпуров (рис. 3).
После окончания процесса вибрационного воздействия осуществляется контроль за состоянием газовыделения из шпуров.
Так конечным результатом процесса вибрационного воздействия на угольный пласт, является определение условий метаноотда-чи угольным массивом до уровня падения скорости газовыделения из пласта равному естественному.
Рис. 3. Технологическая схема вибрационного воздействия при параллельном расположении шпуров: 1 - шпуры с генератором вибрации; 2 - линия очистного забоя; 3 - откаточный штрек; 4 - вентиляционный штрек; 5 - угольный массив
В результате проведенных экспериментов установлено:
1). Условие максимальной метаноотдачи из угольного массива в процессе вибрационного воздействия из угольного пласта.
2). Количество шпуров и их расположение для получения наибольшей метаноотдачи из угольного пласта в процессе вибровоздействия.
3). Технологические схемы обеспечивающие интенсификацию метаноотдачи из угольного массива, позволяющие подготовить угольный пласт к безопасной отработке.
Природная трещиноватость угольного пласта на исследуемой глубине проведения указанных работ, изменяется незначительно и при прочих равных условиях практически постоянна. В зоне влияния горных работ трещиноватость угля изменяется в зависимости от характера давления окружающего породного массива. Однако приложенное внешнее, активное влияние, вибрационное воздействие, влияет на степень трещиноватости угля: при воздействии наблюдается увеличение колличества размеров трещин вокруг шпуров при вибровоздействии, при этом продолжается дальнейший рост зияния последних.
Фактическая проницаемость угольного пласта, т. е. его способность пропускать через себя газы, значительно изменяться под действием вибровоздействий, приложенных на участке воздействия пласта. В зоне влияния в связи с переменной величиной приложенного возмущения в виде переменных вибрационных колебаний проницаемость пласта изменялась на 2-5 раза, что устанавливалось по интенсивности газовыделения из контрольных шпуров. Поэтому изменение газопроницаемости и увеличение метаноотдачи пласта под
действием вибрационного воздействия на угольный массив является одной из наиболее важных характеристик такого воздействии на угольный массив.
Достижение основных поставленных целей - увеличения газо-отдачи из низкопроницаемого угольного пласта в процессе вибрационного воздействия через подземные шпуры на угольный массив пласта К-2, осуществляется за счет изменения природных свойств угольного массива, а именно:
а) изменение газодинамического состояния угольного массива;
б) изменение фильтрационных характеристик - при этом увеличивается скорость фильтрации и диффузия газа;
в) изменение механических характеристик - при этом уменьшается прочность угольного массива, значительно увеличивается трещиноватость по всему объему обрабатываемого участка массива.
В ненарушенном угольном массиве фильтрующие трещины угольного массива малы и обладают высоким сопротивлением для фильтрации газа, т.к. низкопроницаемы, поэтому газопроницаемость угольного пласта в значительной степени зависит от трещиноватости массива на данном участке. Эффективность вибрационной обработки определятся уровнем съема газа в зоне воздействия. Управление этим процессом с учетом особенностей угольного пласта возможно за счет правильного выбора технологических схем и параметров воздействия.
На экспериментальном участке пласта эффективность работы пластовых шпуров оценивалась по увеличению дебита на различных расстояниях между ними. При этом были проведены замеры дебита пластовых шпуров во времени. Как показали замеры, в результате вибровоздействия на угольный пласт произошло увеличение газоотдачи пласта, это объясняется результатом увеличения трещиноватости массива, его проницаемостью и интенсификацией процесса десорбирования газа в зоне воздействия. Съем газа при вибрационном воздействии на участке вибрационного воздействия отражен на рис. 4.
Решение практических вопросов внедрения вибрационного воздействия для целого ряда шахт разрабатываемых низкопроницаемые газоносные пласты позволит решить задачу повышения дегазации и обеспечить подготовку участка к безопасной отработке.
О 10 1 20 30 40 50 90 70
I 1 Т>,мин
МВБ
Рис .4. Газоотдача из угольного пласта К-2 ГОАО «Шахтоуправление им. 17го Партсъезда» при вибрационном воздействии через подземный шпур (нвв, овв начало и окончание вибрационного воздействия): g - газоотдача из шпура, л/мин; t - время вибрационного воздействия, мин.
Повышение газоотдачи угольных пластов вибровоздейсивем через скважины, пробуренные по низкопроницаемым газоносным угольным пластам, имеет целью искусственное создание нескольких систем трещин в пласте в зоне воздействия и, в конечном счете, повышение интенсивности газоотдачи пласта и увеличение степени его дегазации. Искусственно созданная в угольном массиве пласта сеть трещин должна также снизить природную газоносность при подходе очистного забоя к обработанному участку пласта.
---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. - М.: Недра.- 1979.- 285 с.
2. Николаевский В.Н. Механика трещиновато-пористых сред. - М.: Недра, -1987.- 241 с.
3. Ромм Е.С. Фильтрационные свойства трещиноватых горных пород. - М.: Недра. -1966. - 133 с.
I— Коротко об авторах ---------------------------------------------------.
Павленко М.В. - доцент, кандидат технических наук, кафедра «Аэрология и охрана труда», Московский государственный горный университет.
© А.А. Мартынов, Г.Г. Литвинский, А.В. Мартовицкий, 2005
