Обґрунтування параметрів способу знеміцнення високометаморфізованого вугілля

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність роботи. Підвищення ефективності роботи вугільних підприємств, що відпрацьовують високометаморфізоване вугілля вимагають удосконалення технології і засобів виїмки. В цьому плані зниження енергоємності руйнування вугілля з високим опором різанню, до яких здебільшого відносяться антрацитові пласти, являється найбільш перспективним напрямком. Досвід їхньої експлуатації показує, що темп ведення очисних робіт, гранулометричний склад видобутого вугілля значно нижчий, витрата інструмента та висока аварійність видобувної техніки вища, ніж на пластах середньої стадії метаморфізму в аналогічних гірничо-геологічних умовах. Основним фактором, який обумовлює таку ситуацію, є висока міцність вугілля на стиснення і розтягнення. Геомеханічні процеси навантаження і деформування вугілля з такими механічними показниками, що відбуваються в привибійній зоні пласта на глибинах 500-700 м, не забезпечують його руйнування за рахунок гірничого тиску і формування значної зони віджиму. Тому виконавчі органи видобувних механізмів змушені працювати в умовах граничної міцності вугілля, рівень якої визначається величиною тензора напружень.

Підвищити ефективність механічного способу руйнування, в тому числі і знизити енергоємність можна шляхом цілеспрямованого управління властивостями і станом вугільного масиву. Найпростішим і економічним способом зміни його властивостей і стану являється фізико-хімічна обробка (ФХО) масиву із застосуванням водних розчинів хімічно активних речовин (ХАР).

Таким чином, встановлення закономірностей деформування привибійної частини пласта і формування зони віджиму за рахунок зниження міцності вугілля, що оброблено водними розчинами ХАР, являється актуальним завданням, вирішення якого забезпечить зростання видобутку вугілля з очисного вибою без залучення додаткових джерел енергії.

Мета роботи - встановлення закономірностей деформування та руйнування високометаморфізованого вугілля, що оброблене розчинами ХАР, і обґрунтування параметрів способу знеміцнення антрацитових пластів.

Ідея роботи полягає у використанні ефекта фізико-хімічного впливу розчинів ХАР на міцністні, пружні та деформаційні характеристики вугілля, що водночас проявляється в зменшенні інтенсивності широкої лінії спектра ЯМР вугілля.

Задачі досліджень.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі:

виконати аналіз геомеханічних умов, які визначають формування зони віджиму в привибійній частині вугільних пластів і методів її знеміцнення;

встановити тип і концентрацію розчинів ХАР за рівнем зниження ефективної поверхневої енергії вугілля і механізмів їх взаємодії з вугільною речовиною;

дослідити ступінь впливу водних розчинів ХАР на міцнісні, пружні і деформаційні властивості антрацитів в умовах обємного нерівнокомпонентного навантаження, які моделюють стан привибійної зони пласта і розробити експериментальний метод визначення розміру зони віджиму;

розробити і експериментально перевірити в шахтних умовах параметри і технологію метода знеміцнення антрацитового пласта, якій базується на обробці водним розчином ХАР, а також контроль ефективності обробки.

1. Стан питання.

В першому розділі проведений аналіз вивченості впливу гірничо-геологічних і технологічних факторів на параметри зони віджиму вугільних пластів і методів її оцінки, а також способів зниження міцнісних і пружних властивостей гірських порід і вугілля, інтенсифікуючих збільшення глибини зони віджиму. Питання зниження міцнісних властивостей гірських порід і вугілля для підвищення ефективності механічного способу руйнування розглядались в роботах Алєксєєва А.Д., Бурчакова А.С., Воронкова Г.Я., Васючкова Ю.Ф., Васильєва В.В., Кусова Н.Ф., Левченко В.И., Ножкіна Н.В., Ребіндера Л.А., Ржевського В.В., Софийського К.К., Старікова Г.П., Шрейнера, Едельштейна О.А.

В основному проблема зменшення міцнісних і пружних властивостей вугілля виникає при видобуванні високометаморфізованих антрацитів, у яких, як правило, деформації розтягування не досягають граничних значень, що визначають розвиток процесу віджиму при веденні очисних робіт на малих і середніх глубинах. При цьому незначний віджим або його відсутність визначає високу опірність вугілля різанню і відповідно обмежує швидкість подачі комбайна. З усіх існуючих методів ослаблення, а саме механічного, термічного, біологічного та інш. найбільш поширеним і прийнятливим являється фізико-хімічна обробка із застосуванням хімічно активних речовин (ХАР), що забезпечують значне зниження енергоємності руйнування гірських порід. Проте, задача зниження міцнісних і пружних властивостей міцних антрацитів розчинами ХАР до рівня, що забезпечує інтенсифікацію геомеханічних процесів в зоні опорного тиску і збільшення зони віджимуя ні теоретично, ні експериментально не вирішена і залишається актуальною до цього часу. На основі аналізу вивчення питаннь і вимог до відпрацюванню міцних антрацитових пластів були сформульовані мета і завдання досліджень.

2. Лабораторні дослідження по визначенню ефективних хімічно активних речовин (ХАР) для знеміцнення антрацитів

В цьому розділі приведене наукове обґрунтування методики, що дозволяє оцінювати вплив водних розчинів ХАР на структурні зміни у вугіллі та результати досліджень по визначенню типу і концентрації ХАР для знеміцнення антрацитів.

Однією з фундаментальних характеристик, інтегрально враховуючих опір міжатомних звязків розриву, котра залежить від адсорбованих середовищ, які послаблюють їх взаємодію, являється ефективна поверхнева енергія (ЕПЕ). Таким чином, за ступенем зміни ЕПЕ вугілля підданого обробці ХАР, що вступають з ним в фізико-хімічну взаємодію можна встановити їхню ефективність та вибрати тип та оптимальну концентрацію ХАР у воді. Складом, здатним ініціювати реакції окислення молекулярної структури вугілля можуть виступати водно-лужні розчини, кислоти та їх солі. В якості ХАР були вибрані біхромат натрію, вугільно-лужний реагент (ВЛР), щавельна кислота, уксусна кислота, їдкі натрій концентрацією до 4% і калій, які за даними літератури використовуються для деструкції вугілля при температурі до 1500С, тиску 10 МПа і концентрації 5-35%, а також сульфонол і склад алкілсульфонола, тріполіфосфата амонія сірчанокислої концентрації до 1%, що відносяться до класу поверхнево-активних речовин (ПАР). Для визначення ЕПЕ вугілля, обробленого розчинами ХАР, застосовувався метод свердлування, який використовувався в кристалофізиці при оцінці відносної зміни цього параметра у твердих тіл.

Аналіз результатів показав, що для кожного ХАР є своя оптимальна концентрація, яка забезпечує максимальну ступінь зниження ЕПЕ вугілля. Необхідно відзначити, що кінетика сорбції розчинів вугіллям, в тому числі і при зволоженні водою забезпечує їхній приріст в межах 2,8-4%. Проте при однаковому складі води і розчинів максимальний ефект зниження ЕПЕ до рівня 0,55-0,65 спостерігається у сульфонола, та складу, що включає в себе алкілсульфонат, тріполіфосфат і амоній сірчанокислый через 1-3 доби. У розчинах біхромата натрію, УЩР і щавельової кислоти цей параметр знижується до рівня 0,27-0,4 через 5-7 діб насичування. В цілому це свідчить про те, що механізм взаємодії розчинів ХАР заснований на фізико-хімічних процесах, що протікають в структурі антрациту.

Для дослідження впливу розчинів ХАР на зміни в структурі вугілля використовувався метод ядерно-магнітного резонансу широких ліній (ЯМР-1H), заснований на поглинанні електромагнітних хвиль вугіллям, яке знаходиться у постійному магнітному полі, обумовлений магнітним моментом його ядер водню.

3. Дослідження впливу водних розчинів ХАР на фізико-механічні властивості вугільного масиву

У третьому розділі обґрунтовані схеми навантаження, які враховують напружено-деформований стан вугілля в привибійній частині пласта і умови його деформування. Приведені результати досліджень за оцінкою ступеня впливу розчинів ХАР на міцнісні, пружні і деформаційні властивості антрацита і метод розрахунку глибини віджиму.

Найбільш повну інформацію про ступінь впливу водних розчинів ХАР на міцнісні, пружні і деформаційні властивості антрацита, що визначають віджим вугілля, дають повні діаграми його деформування, що включають навантажувальну и розвантажувальну вітки. Причому важливе значення мають падаючі ділянки діаграм, які дають можливість відслідити процес переходу від граничної до остаточної міцності вугілля за зміною цілого ряду його пружних і енергетичних характеристик.

Із застосуванням залежності 1 = f(1) проведений розрахунок пружніх характеристик вугілля, а саме модуля зсуву, який свідчить, що його рівень в 1,7-2,2 разів менший у зразках оброблених розчинами ХАР. Фізичним наслідком такої зміни являється зменшення в 1,3-1,5 разів граничної міцності вугілля в умовах обємного нерівнокомпонентного навантаження, а при розвантаженні зразків підвищення в середньому на 55% руйнівного напруження. Процес розвантаження порушує сформований рівноважний стан, забезпечуючи переведення частини пружної енергії (Ан) в енергію формозміни (Аф) та при умові Аф>Ан відповідно з енергетичною теорією, відбувається руйнування. Таким чином під зоною віджимання необхідно розуміти крайову частину пласта біля відслонення, де енергія формозміни превалює над енергією зміни об'єму, і при умові Аф/Ан?2 однозначно формується віджим вугілля. Фактично завдання зводиться до визначення напруження на залежності 1 = f() в області розвантаження, які призводять до руйнування вугілля (раз).

В цілому при розрахуванні глибини віджиму необхідно визначати наступні параметри:

1. Межа міцності на стиснення (сж);

2. Відстань до точки максимума опорного тиску за формулою:

, (1)

де К1 - коефіцієнт інтенсивності напружень, відповідний геометрії виробки: f(P) - нормуюча функція; m - потужність пласта, м; Х0 - розмір виробки, на місці визначення зони опорного тиску, м.

3. Максимальне напруження в зоні опорного тиску, яке визначається за формулою:

(2)

Графічна побудова здійснюється наступним чином. Спочатку будуємо розрахункову залежність max = f(a), для цього по осі абсцис відкладаємо розмір зони опорного тиску а, а по осі ординат величину напружень max. Після цього з”єднуємо max. з точкою, в якій а = 0, а рівень напружень дорівнює сж. На залежності max = f(a) знаходимо точку, в якій відбувається руйнування вугілля раз, отриману з повних діаграм навантаження і по осі абсцис визначаємо глибину зони віджимання.

Розрахунок глибини зони віджиму можна визначити за формулою:

, (3)

де ост - залишкова міцність вугілля при розвантаженні 3 до нуля.

З використанням методу розрахунку параметрів зони опорного тиску і результатів досліджень впливу водних розчинів ХАР на фізико-механічні властивості антрацита визначені розміри зони віджиму в привибійній частині пласта g2 “Наталья” шахти “Комуніст”, які наведені у табл. 1.

Отримані результати показують, що водні розчини ХАР дозволяють збільшити глибину зони віджиму від 0,15-0,22 м у природно зволоженому вугіллі до 0,68-0,82 м після обробки 3% розчином щавельною кислотою, що сумірний з розмірами виконавчого органу добувних механізмів.

Таблиця 1. Результати розрахунку основних параметрів, які визначають розміри зони віджиму

В цілому аналіз наведених досліджень свідчить про те, що з використанням повних діаграм навантаження реального вугілля обґрунтований метод визначення глибини зони віджиму, який полягає в обліку руйнівної напруги, що формується при умові дворазового підвищення енергії зміни форми під енергією зміни обєма зразка до залишкової міцності вугілля.

4. Обґрунтування параметрів і технології способу знеміцнення антрацитів обробкою водними розчинами ХАР

В розділі приведені результати шахтних досліджень по відпрацюванню параметрів і технології обробки 2% розчином щавельної кислоти міцного вугільного пласта g2 “Наталья” для якого характерна незначна зона віджиму (менше 0,3 м).

Обєм випробувань становив 70 м посування очисного вибою за протяжністю ПК15-22 де було пробурено 8 нагітальних свердловин глибиною 50-55м протяжністю 8 м один від одного і закачано по 10-11м3 2% розчину щавельної кислоти під тиском 9,5-10,5 МПа, 95 контрольних шпурів глибиною 2 м для визначення опірності вугілля різанню та глибини зони віджиму. Відібрано понад 800 проб вугілля з метою оцінки вміщення в ньому розчину ХАР і вплив його на физико-механічні властивості вугільного масиву.

Результати досліджень при проведенні гірничо-експериментальних робіт приведені в табл. 2.

В результаті шахтних досліджень встановлено, що випробувані параметри способу знеміцнення вугілля (відстань між свердловинами, обєм розчину ХАР у вугіллі, його тип і концентрація у воді) забезпечують зниження інтенсивності широкої лінії вугілля на 35-50 %, опірності вугілля зруйноваго різання в 1,8-2,4 рази та питомої роботи руйнування вугілля в 2,9-3,5 рази. Закономірності збільшення глибини віджиму в 4-4,5 разів при зменшенні інтенсивності широкої лінії спектру ЯМР вугілля в зоні ефективної обробки (ПК15-18), які випливають з результатів натурних спостережень, підтвердили результати лабораторних досліджень і оцінку розрахунків та дозволили обґрунтувати контроль ефективності способу знеміцнення за ступенем зниження інтенсивності широкої лінії ЯМР вугілля.

Таблиця 2. Результати гірничо-експериментальних досліджень

Висновки

геомеханічний привибійний вугільний хімічний

В дисертаційній роботі отримані нові наукові результати в області геотехнічної і гірничої механіки шляхом встановлення закономірностей зниження міцнісних і пружних властивостей високометаморфізованого вугілля, які визначають ступінь зміни глибини зони віджиму в привибійній зоні вугільних пластів залежно від типу, концентрації та кількості розчину ХАР, експериментальному підтверженні кількісних значень наведених характеристик і обґрунтуванні на їх основі параметрів способу знеміцнення та контролю ефективності, що в сукупності є рішенням науково-технічного завдання відробки міцних вугільних пластів.

Основні наукові результати і висновки, які отримані при виконанні роботи полягають в наступному:

1. Вперше з використанням методу свердлення розроблена методика оцінки ступеня впливу розчинів ХАР за рівнем зміни ЕПЕ вугілля, що дає змогу обґрунтовувати іх тип і концентрацію;

2. Вперше встановлено, що зниження ЕПЕ антрациту в 3,5-4 рази досягається при застосуванні водного розчину щавельної кислоти концентрацією 2-3 % і бихромату натрія концентрацією 1-1,5 % при їх вмісті в структурі вугільної речовини 3-4 %, при цьому кінетика сорбції розчинів ХАР в 2-2,5 разів вища, ніж у води;

3. Вперше встановлено, що водні розчини щавельної кислоти концентрацією 3 % і біхромату натрія концентрацією 1 % в кількості 3,5-4,5 % знижують інтенсивність амплітуди широкої лінії спектра ЯМР антрациту в 1,4-1,7 разів, а вода і водні розчини ПАР в 1,05-1,15 рази;

4. Встановлено, що в умовах одновісного навантаження розчин 3% щавельної кислоти зменшує міцність вугілля на стиснення, модуль пружності, модуль зсуву в середньому в 1,97 разів і збільшує коефіцієнт Пуасона на 35-42% і модуля спаду в 1,6-1,9 разів, а в умовах гідростатичного навантаження у зразків вугілля насичених розчинів ХАР модуль пружності в області деформацій стиснення на 50-65% вище, ніж у вугілля з природним складом вологи. Розвантаження таких зразків призводить до появи деформацій розтягнення, що перевищують граничні деформації;

5. Вперше встановлено, що в умовах обємного нерівнокомпонентного навантаження, моделюючого напружено-деформований стан привибійної частини пласта знижуються гранична міцність вугільних зразків, оброблених розчином ХАР на 35-45%, модуль зсуву в 1,7-2,2 рази, а напруження, що характеризують формування віджиму вугілля, які визначаються на падаючій повній діаграмі навантаження у зразків після обробки ХАР зростають в середньому на 43%, а залишкова міцність знижується на 25-40%;

6. Вперше з використанням повних діаграм навантаження обґрунтований метод визначення глибини зони віджиму, який полягає в обліку розміру зони опорного тиску граничної міцності руйнівних напружень, що формуються при умові дворазового перевищення енергії зміни форми під енергією зміни обєма зразка до залишкової міцності;

7. Вперше встановлено, що параметри способу знеміцнення високоміцних антрацитів (відстань між свердловинами 10-11м і обєм нагнітання 2% розчин щавельної кислоти 0,02-0,03 п/т) забезпечує зниження інтенсивності широкої лінії спектра ЯМР вугілля на 35-50%, опірності вугілля руйнуванню різанням в 1,8-2,4 разів та питомої роботи руйнування в 2,9-3,5 разів;

8. Очікуваний економічний ефект від застосування способу знеміцнення за рахунок зниження енергозатрат на виймання вугілля становитиме 570,0 тис. грн. (в цінах 2000 р.).

Література

1. Правила визначення глибини зони віджиму в вугільних пластах: СТУ 32320704.24647077.01:2009. - [Чинний від 2009-01-30]. - Донецк-Луганск, - 15с.

2. Чистоклетов В.Н. Обоснование параметров физико-химического способа разупрочнения высокопрочных углей / В.Н. Чистоклетов // Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк. - 2003. - №6. - С. 180 - 188.

3. Стариков Г.П. Исследование влияния гидрорыхления водным раствором ПАВ на интенсивность внезапных выбросов и выдавливаний (отжимов) угля / Г.П. Стариков, З.Г. Пастернак, Н.И. Волошина, В.Н. Чистоклетов // Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк. - 2004. - № 7. - С. 100 - 112.

4. Стариков Г.П. Оценка эффективности параметров разгрузочных скважин в подготовительных забоях в условиях больших глубин / Г.П. Стариков, Д.В. Мельников, В.В. Завражин, В.Н. Чистоклетов // Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк. - 2007. - Вып. 10. - С. 95-101.

5. Алексеев А.Д. Эффективная поверхностная энергия горных пород / А.Д. Алексеев, Е.В. Гладкая, В.Н. Ревва, В.Н. Чистоклетов // Физико-технические проблемы горного производства. - Донецк. - 2001. - № 4. - С. 126 - 132.

6. Завражин В.В. Исследование взаимодействия антрацита с активными веществами // В.В. Завражин, Л.В. Шевченко, Г.А. Троицкий, В.Н. Чистоклетов // Геотехническая механика. - Днепропетровск. - 2001. - № 27. - С. 72- 81.

Размещено на Allbest.ru