Удосконалення способів управління станом гірничого масиву, які базуються на зволоженні вугільного пласта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Міністерство вугільної промисловості

Відділення фізико-технічних гірничих проблем донецького фізико-технічного інституту ім. О.О. Галкіна

УДК 622.831

05.15.11.-"Фізичні процеси гірничого виробництва"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення способів управління станом гірничого масиву, які базуються на зволоженні вугільного пласта

Маєвський Олег Валерійович

Донецьк-1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Відділенні фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України та Мінвуглепрому України

Науковий керівник:

- доктор технічних наук, професор, директор Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України та Мінвуглепрому України Алексєєв А.Д.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Донецького державного технічного університету (ДДТУ) Назимко В.В.

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Українського державного науково-дослідного та проектно-конструкторського інституту гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України Жуков А.Є.

Провідна установа - Інститут геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться "30" червня 1999 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої ради К 11.1184.02 у Відділенні фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ НАНУ ім. О.О. Галкіна за адресою: 340114, вул. Р.Люксембург, 72.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Відділення ФТГП ДонФТІ НАНУ ім. О.О. Галкіна за адресою: 340114, вул. Р.Люксембург, 72.

Автореферат розіслано "24" травня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої Ради, канд. техн. наук Є.І. Піталенко

Анотації

Маєвський О.В. "Удосконалення способів управління станом гірничого масиву, які базуються на зволоженні вугільного пласта" - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 - "Фізичні процеси гірничого виробництва". - Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ НАНУ ім. О.О. Галкіна. Донецьк, 1999.

Дисертаційна робота містить нове рішення актуальної наукової та технічної задачі - встановлення механізму взаємодії водяних розчинів ПАР з вугільною речовиною та розробка нового способу гідрообробки вугільних пластів з метою управління їх напружено-деформованим станом.

Експериментальними дослідженнями встановлено, що дія на газонасичене вугілля водяного розчину ПАР під тиском більше 10 МПа приводе до проникнення газу, який міститься у внутрішньо-поровому об'ємі, в структуру вугільної речовини та збільшує сорбційну ємність вугілля у 1,4-1,6 рази. Молекули ПАР активно взаємодіють з сорбційними центрами вугільної речовини та створюють своєрідну "мозаїчну структуру", що приводе до інтенсивного падіння концентрації розчину. Виконані експерименти та наступний аналіз отриманих результатів дозволили розробити новий метод постадійної обробки вугільних пластів розчинами ПАР, експериментальна перевірка якого в шахтних умовах підтвердила обґрунтованість параметрів.

Ключові слова: водяні розчини ПАР, поруватість вугілля, гідрозволоження, вугільні пласти, управління станом.

Маевский О.В. "Совершенствование способов управления состоянием горного массива, основанного на увлажнении угольного пласта" - Рукопись.

Диссертация на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 - "Физические процессы горного производства". - Отделение физико-технических горных проблем ДонФТИ НАНУ им. А.А. Галкина. Донецк, 1999.

Диссертационная работа содержит новое решение актуальной научной и технической задачи, заключающейся в установлении механизма взаимодействия водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) с угольным веществом и разработке нового способа гидрообработки угольных пластов с целью управления их напряженно-деформированным состоянием.

На образцах углей, отобранных на шахтах Донбасса, выполнены исследования особенностей строения угольного вещества и их изменения при воздействии на них водными растворами ПАВ, а также исследован механизм их распространения в угле. В задачи исследований входило: исследование сорбционных и газокинетических параметров угля для оценки его склонности к увлажнению; исследование механизма высоконапорного увлажнения системы "уголь-газ" растворами ПАВ; исследование изменений концентрации ПАВ в процессе высоконапорного увлажнения системы "уголь-газ"; разработка способа гидрообработки угольного пласта растворами ПАВ в режиме изменяющейся их концентрации.

В процессе увлажнения угля растворами ПАВ, происходит взаимодействие молекул ПАВ с молекулами газа, содержащихся в угле и сорбирование их на активных центрах.

Поскольку молекулы ПАВ имеют асимметричное строение, при малой концентрации молекулы ПАВ располагаются горизонтально в адсорбционном слое, образуя своеобразную "мозаичную структуру". В результате сорбирования молекул ПАВ происходит интенсивное падение их концентрации в растворе, что в первую очередь оказывает влияние на скорость распространения растворов ПАВ в угольном пласте. Экспериментально установлена зависимость скорости распространения жидкости от времени взаимодействия растворов ПАВ с угольным веществом.

В результате анализа полученных экспериментальных данных разработана технология гидроувлажнения, в основе которой лежит оценка склонности угольного пласта к увлажнению и постадийная подача растворов ПАВ.

Для оценки склонности угольных пластов к увлажнению предложена методика, основанная на определении количества естественной сорбированной влаги по спектрам ЯМР.

Предложен способ поэтапной обработки угольных пластов, при котором подача раствора осуществляется в два этапа: вначале подается до 30% от общего количества раствора с концентрацией ПАВ 0,5%, а остальное количество раствора - с концентрацией 0,1%.

Экспериментальная проверка способа в шахтных условиях при проведении штрека по выбросоопасному пласту позволила отработать его параметры и подтвердила правильность принятых решений. По данной методике выполняется гидрообработка угольных пластов растворами ПАВ на шахтах ПО "Дзержинскуголь" и "Артемуголь" для охраны подготовительных пластовых выработок.

Ключевые слова: водные растворы ПАВ, пористость угля, гидроувлажнение, угольные пласты, управление состоянием.

Moyevsky O.V. "Advanced methods of rock mass control based on moistening of the coal seam". - Manuscript.

The thesis submitted for a candidate of technical science degree in the field 05.15.11 - "Physical processes in mining" - The Department of Physico-Technical mining problems DonPTI, Ukrainian National Academy of sciences. Donetsk, 1999.

The dissertation contains a new solution of urgent scientific and technical problem consisting in determination of the mechanism of surfactants water solution interaction with coal matter as well as development a new method of the coal seam hydrotreatment in order to control their stress-strain condition.

Experimental investigations have established that exposure of gas-bearing coal to surfactant water solution under pressure above 19 MPa results in introduction of the gas from intraporous volume into the coal matter structure and increases a sorption capacity op the coal by 1,4-1,6 times. Surfactant molecules attack the coal matter sorption centers with formation of distinctive mosaic pattern that causes a strong reduction in the solution concentration.

The experiments performed as well as subsequent analysis of the results obtained have allowed to develop a new method of the coal seam by-stage treatment with surfactants solutions. Experimental check of the method in mine conditions has confirmed validity of parameters.

Key words: surfactants water solutions, coal porosity, hydromoistening, coal seams, condition control.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дисертації: Значна частина вугільних пластів Донецького басейну розробляється на глибинах, які досягають 1000 та більше метрів, в складних гірничо-геологічних умовах, що характеризуються такими факторами, як високі значення гірничого тиску, температури, запиленості рудникової атмосфери, а також підвищеною схильністю до викидів та обвалення, які знижують інтенсивність видобутку вугілля, погіршеними умовами праці та необхідністю проведення спеціальних додаткових заходів для їх усунення. Найбільше розповсюдження отримали способи активного управління станом гірничого масиву шляхом їх гідрообробки, які розроблені ІГД ім. О.О. Скочинського, МакНДІ, ВФТГП ДонФТІ НАНУ, ІГТМ НАНУ, ДДТУ, ІПКОН РАН, МГІ, СхідНДІ. Досвід застосування цих способів показує достатньо високу їх технічну та економічну ефективність. Разом з тим, погіршення гірничо-геологічних та гірничотехнічних умов відробки газонасичених вугільних пластів потребує розвитку та вдосконалення відомих локальних і регіональних способів їх гідрообробки.

Зараз значне розповсюдження в Центральному районі Донбасу отримали способи попереднього зволоження вугільних пластів водяними розчинами поверхнево-активних речовин (ПАР), які застосовуються для запобігання викидам вугілля та газу, пилоутворенню та охорони виробок. Розширення області застосування способів та вибір його параметрів для конкретних умов обробки потребують заглибленого вивчення фізичних процесів у газонасиченому вугіллі при його взаємодії з розчином ПАР, знання особливостей поширення газо-водонасиченої суміші в пласті при високому тиску для вибору оптимальних значень їх концентрацій та контроль зволоженого масиву, що є актуальною науковою та практичною задачею для вугільної промисловості.

Зв'язок теми дисертації з планом науково-дослідних робіт інституту. Дисертаційна робота зв'язана з виконанням теми з вивчення структури та властивостей вугілля в умовах великих глибин (№ДР 0197U008905), яка входе до плану робіт Національної академії наук України.

Мета роботи - встановлення особливостей взаємодії та поширення водяних розчинів ПАР в системі "вугілля-газ" при розробці параметрів високонапорного зволоження для управління станом гірничого масиву.

Ідея роботи міститься у безповоротному витісненню газу з фільтраційного та сорбційного об'ємів вугілля в його структуру та закриту поруватість при високонапорному зволоженні масиву водяними розчинами ПАР різної концентрації.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі:

дослідження механізму високонапорного зволоження системи "вугілля-газ" розчинами ПАР;

дослідження зміни концентрації ПАР в процесі високонапорного зволоження системи "вугілля-газ";

розробка способу гідрообробки вугільного пласта розчинами ПАР в режимі, коли змінюється їх концентрація.

Наукові положення, які винесено на захист, їх новизна:

Встановлено, що газокінетичні характеристики вугілля при газонасиченості та дегазації володіють гістерезисом і при тиску газу, що перевершує 8,0 МПа, час дегазації перевершує час газонасичення.

Дія на газонасичене вугілля розчину ПАР при тиску 10 МПа і більше супроводжується безповоротнім проникненням газу у структуру вугільної речовини та закриту поруватість, що приводе до збільшення сорбційної ємності вугілля в 1,4-1,6 рази.

При поширенні розчинів ПАР у вугільному пласті має місце сорбційна взаємодія самої поверхнево-активної речовини з вугіллям, величина якої складає біля 70% сорбційної ємності вугілля з газу.

Гідрообробка здійснюється розчинами ПАР з змінною концентрацією від 0,5% (об'єм нагнітаємої рідини не менше 1/3 від розрахункового) з наступним її зниженням до 0,1%.

Методи досліджень. В дисертації використаний комплексний метод досліджень, який включає в себе: аналіз та узагальнення робіт з вивчення управління станом вугільного пласта, в тому числі процесів зволоження вугільного пласта водяними розчинами ПАР; лабораторні та шахтні дослідження поруватості вугілля та особливостей взаємодії розчинів з вугільною речовиною; розробку та експериментальну перевірку нового способу нагнітання розчинів.

Обґрунтованість та вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій роботи забезпечується аналізом теоретичних та експериментальних досліджень побудови вугільної речовини та поширення в ній розчинів ПАР, експериментальними дослідженнями зміни побудови вугільної речовини під дією розчинів ПАР та особливостей руху по тріщинуватому газонаповненому вугіллі, застосуванням апробованих методик та стандартного обладнання і задовільним збігом розрахункових та експериментальних даних.

Наукове значення роботи міститься у теоретичному та науково-практичному розвитку теорії поширення розчинів ПАР у реальній вугільній речовині в частині встановлення ефекту розкриття закритих пор розчинами ПАР та зниження концентрації ПАР при її руху через тріщини та пори, що стало основою для розробки способу поетапного зволоження.

Практичне значення роботи міститься в розробці параметрів способу поетапної подачі розчину ПАР у вугільний пласт з метою його ефективного зволоження.

Реалізація висновків та рекомендацій роботи.

Основні результати роботи увійшли в галузеві нормативні документи:

"Методичні вказівки з застосування способу відміни раптового висипання вугілля від викиду для експертної оцінки типу газодинамічного явища" (затверджено Мінвуглепромом 26.08.98 р. та узгоджено з Держохоронпраці 25.08.98 р.).

керівництво "Комп'ютерні варіанти паспортів управління покрівлею та кріплення лав пластів з кутами падіння більше 35" (затверджено Мінвуглепромом 18.12.98 р. та узгоджено з Держохоронпраці 17.12.98 р.).

Апробація роботи. Основні положення та окремі результати роботи доповідались та обговорювались на вчених радах ВФТГП ДонФТІ НАНУ, НТР ВО "Дзержинськвугілля" та "Артемвугілля", на міжнародній науково-практичній конференції "Вібротехнологія-98" (Одеса).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 наукових робіт.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновку, списку літератури з 117 найменувань та містить: 85 сторінок машинопісного тексту, 44 рисунків, 17 таблиць.

Основний зміст роботи

В результаті досліджень побудови вугільних пластів та вивчення механізму поширення рідини у них при різних режимах нагнітання, які виконані у 60-70 роки колективами вчених МакНДІ, СхідНДІ, ІГД ім. О.О. Скочинського, МГІ, ДДТУ, ВФТГП ДонФТІ НАНУ, ІГТМ НАНУ, а також фахівцями вугільної промисловості, були розроблені способи зниження викидонебезпечності вугільних пластів, зменшення пилоутворення при відбійці вугілля, охорони гірничих виробок та інших явищ в шахтах. В основі їх закладений принцип управління властивостями та станом вугільних пластів при випереджаючій під- та надробці, гідродинамічному, фізико-хімічному, мікробіологічному та інших способах дії на пласт. Цим способам присв'ячені роботи В.В. Ржевського, А.С. Бурчакова, І.В. Боброва, Н.В. Ножкіна, П.М. Торського, Г.Є. Панова, С.О. Яруніна, А.И. Ксенофонтової, Р.М. Кричевського, С.М. Олександрова, Є.С. Розанцева, В.В. Ріпки, Б.І. Медведєва, І.Ф. Морозова, В.В. Осокіна, В.К. Тарасенко, І.М. Печука, В.І. Ніколіна, А.Ф. Булата, К.К. Софійського, С.В. Кузнецова, А.М. Зоріна, А.Є.Жукова, М.П. Зборщика, В.В. Назимко, А.Д. Алексєєва, Ю.В. Бондаренко, В.Г. Олександрова, А.В. Аксенова, Є.І. Піталенко, В.М. Ревви, Е.В. Борисенко, В.М. Артамонова та інш.

Аналіз вказаних робіт показує, що в основу методів розрахунку параметрів подачі водяних розчинів у вугільний пласт покладено уявлення про вугільну речовину, як тріщінувато-порувате середовище, а для опису руху рідини використовуються напівемпіричні залежності, які отримані на основі рівнянь класичної гідравліки.

Вибір виду ПАР та концентрації розчину ПАР здійснюється для кожного вугільного пласта на основі експериментальних досліджень. Таким же чином здійснюється і вибір параметрів нагнітання розчинів: частота закладення свердловин, довжина дільниці герметизації, кількість, темп та тиск нагнітання.

Дослідження структури вугільної речовини, які виконані в останні роки в ІПКОН РАН, ЛГІ, ВФТГП ДонФТІ НАНУ, МГІ, МакНДІ, ІГТМ НАНУ та інш. дозволили суттєво змінити уявлення не тільки про його тріщинувато-порувату структуру, але і встановити, що закрита поруватість вугілля значно перевершує відкриту, а вільні радикали вугільної речовини активно взаємодіють з різними хімічними речовинами, в тому числі і розчинами ПАР. Тому існуючий підхід до досліджень процесу зволоження вугільної речовини розчинами ПАР на сучасному рівні знання про властивості вугілля вже є неповним. Дослідження змін у вугільному пласті при нагнітанні в нього водяних розчинів ПАР можливі тільки на основі фундаментального вивчення фізичних процесів в системі вугілля-газ-водяний розчин. При цьому також підлягає вивченню процес поширення розчину ПАР через мікротріщини вугільної речовини, оскільки внаслідок фізико-хімічної активності вугілля відбуваються складні процеси взаємодії його з ПАР.

Проведений аналіз дозволив сформулювати мету та задачі досліджень. Відповідно з цим були виконані аналітичні та експериментальні дослідження взаємодії вугілля з розчинами ПАР та запропонована нова методика гідрообробки вугільних пластів та методика розрахунку її параметрів.

Для виконання поставлених задач досліджень були використані апробовані методики вивчення поруватості вугілля, газо- та вологонасиченості його такі, як ядерного магнітного резонансу (ЯМР) та електроно-парамагнітного резонансу (ЕПР), а також були розроблені нові методики вивчення швидкості поширення розчинів ПАР у вугіллі, швидкості сорбції метану різними розчинами. Для обробки результатів експериментів були використані методи математичної статистики.

Нагнітання розчинів ПАР у вугільний пласт визначається в першу чергу фільтрацією їх через тріщинувато-порувату структуру вугілля. Тому всі теоретичні дослідження в основному присвячені вивченню цього режиму, а процес взаємодії вугілля з водяними розчинами розглядається тільки як поверхневе, капілярно-механічне і, рідше, як іонообмінне явище. Разом з тим, під дією поверхнево-активних речовин відбуваються зміни в структурі вугільної речовини за рахунок здатності молекул ПАР проникати у тупикові кінці мікротріщин, знижувати рівень діючих там сил та сприяти поширенню мікротріщини. Внаслідок того, що теоретично оцінить міру впливу ПАР на цей процес досить складно, були виконані експериментальні дослідження газокінетичних процесів у системі вугілля-газ-водяний розчин з застосуванням спеціальних методик та апаратури. Метод ЕПР, який визначає концентрацію парамагнітних центрів (ПМЦ), широко застосовується в практиці прогнозу викидонебезпечності вугільних пластів. Модифікація методу для проведення досліджень змін в структурі вугілля під тиском газу та рідини дозволила встановити, що при насиченні вугілля газом має місце зниження концентрації ПМЦ, яка в окремих випадках досягає 80% при середньому значенні 45%. Причому, в залежності від тиску газу концентрація ПМЦ у вугіллі змінюється ступінчато. При дегазації зразків відновлення концентрації відбувається лінійно з присутністю залишкового значення концентрації ПМЦ. На попередньо зволожених розчином ПАР зразках процес зміни концентрації ПМЦ має той же ступінчатий характер при загальному зниженні її значення. Окрім того, при цьому з'являється додаткова ступінчата зміна концентрації ПМЦ при тиску біля 1,5 МПа, а зняття тиску газу практично не супроводжується відновленням концентрації ПМЦ. вугілля гідрообробка метан сорбційний

Характер зміни концентрації ПМЦ від часу при постійному тиску газонасичення описується рівнянням регресії виду:

(1)

де N0, Nk - відповідно початкове та кінцеве значення концентрації ПМЦ;

- коефіцієнт з розмірністю 1/сек; t - час, сек.

Результати експериментальних досліджень, які виконані на вугіллі більше, чим 40 шахтопластів в різних гірничо-геологічних умовах показують, що змінюється в межах (1,55)10-3 1/сек. В зонах геологічних порушень та структурної порушеності пластів коефіцієнт зменшується більше, чим у два рази у зрівнянні з умовами нормального їх залягання. Зміна , як було встановлено у лабораторних умовах, визначається мірою деформації вугілля у нерівнокомпонентному полі напружень за рахунок перебудови структури вугілля на молекулярному рівні (спосіб та пристрій для його здійснення захищені авторським свідоцтвом на винахід А.с. №1435784 МКИ Е 21С 39/00). Фізична сутність коефіцієнта була встановлена в результаті розв'язку рівняння руху газу у глобулярному поруватому середовищі:

(2)

при R - радіус частки

(3)

(4)

(5)

D - коефіцієнт дифузії , R - радіус частки, см.

Розв'язок рівняння для значень зміни тиску газу від початкового (P0) до кінцевого (Pk) дозволяє визначити значення кількості виділеного сорбованого газу Q(t):

(6)

З рівнянь (1) та (6) слідує, що

- є "дифузійний параметр" при масопереносі у поруватому середовищі, а зміна концентрації ПМЦ при газоводонасиченні визначає процес сорбції на активних центрах вугільної речовини, як і на поверхні поруватого простору, та і в об'ємі самої структури.

Виконані дослідження дозволяють встановити механізм зволоження газонасиченого вугілля розчинами ПАР у виді: зволоження вугілля розчинами ПАР під тиском супроводжується стисненням газу у фільтраційному поруватому об'ємі та збільшенням кількості сорбованого газу, а при досягненні першого критичного тиску газ дифундує в структуру вугільної речовини, де сорбується на внутрішніх ПМЦ та створює твердий розчин газу, і проникає у закриту поруватість. При цьому, сорбована волога закриває частку сорбованого об'єму з діаметрами каналів, які збігаються з розмірами молекул води. В більш крупних порах процес перекриття каналів здійснюється самими ПАР. З наведеної моделі слідує, що попереду поширюваного в масиві фронту ПАР тиск газу в поруватому об'ємі нижче, чим тиск гідрообробки, а вугілля пластифікується за рахунок об'ємного насичення газо-водяною сумішшю природного та розкритого об'єму.

Експерименти з визначення змін поруватості за рахунок розкриття закритої її частини розчинами ПАР проводились на необроблених та оброблених 0,1% розчином сульфоналу пробах вугілля марок К та Ж. В таблиці 1 наведені дані про закриту та відкриту поруватість дослідженого вугілля. Встановлено, що обробка вугілля розчинами ПАР сприяє поширенню мікротріщин та розкриттю мікропор, що супроводжується збільшенням відкритої поруватості в 1,4-1,6 рази.

Таблиця 1. Зміна поруватості вугілля при обробці його розчинами ПАР

№	Шахта, об'єднання, пласт	Марка вугілля	Закрита поруватість, смі/г, с.б.м.( суха беззольна маса)
			до зволоження	після зволоження
1	В.О. "Дзержинськвугілля", ш. "Нова", пл. k1 "Бураківка"	КЖ	0,080	0,048
2	В.О. "Дзержинськвугілля", ім. Ф.Е. Дзержинського, пл. l7 "Пугачівка"	КЖ	0,170	0,96
3	В.О. "Дзержинськвугілля", ш. "Торецька", пл. l7 "Пугачівка	КЖ	0,075	0,049

Одночасно було встановлено, що процес зволоження вугілля розчинами ПАР супроводжується витісненням газу із об'єму пор. На рис. 2 зображені дані про зміни тиску вільного газу при обробці вугілля дистильованою водою; 0,1% розчинами сульфоналу та "Пегасу"; 5% розчином СаСl₂. Експерименти свідчать, що найбільш активні хімічні речовини (сульфонал та "Пегас") витісняють більшу кількість (в 2,0-2,6 рази) вільного газу і більш інтенсивно у зрівнянні з дистильованою водою.

Рис. 2. Кінетика виділення метану з вугілля при зволоженні його розчинами ПАР: 1 - "Пегас", 2 - сульфонол, 3 - СаСl2, 4 - дистильована вода.

Відомо, що молекули ПАР мають асиметричну побудову та містять полярні групи і неполярні вуглеводневі або ароматичні радикали. Володіюча значним дипольним моментом та добре гідратируюча полярна група обумовлює спорідненість поверхнево-активної речовини до води. Гідрофобний вуглеводневий радикал є причиною пониженої розчинності ПАР. Розташування таких молекул на поверхневому шарі енергетично найбільш вигідно при умові занурення полярних груп у воду, а вуглеводневих ланцюгів - у повітря або неполярне середовище. При малій концентрації молекули ПАР розташовуються горизонтально в адсорбційному шарі, а при її підвищенні з'являється вертикальна орієнтація. В цьому стані площа, яку займає молекула ПАР, визначається лише площею полярної групи.

Для визначення ефекту сорбції молекул ПАР (сульфонал, "Пегас") вугіллям були виконані дослідження з зміни концентрації ПАР у розчині при його поширенні в об'ємі пор. Для цього проби вугілля однакової ваги (5 Н) поміщали в однаковий об'єм розчину (1 л та концентрації 0,5% і 0,1%) та через 0,5 години відбирались проби розчину для аналізу зміни концентрації робочої речовини за стандартною методикою. Найбільш інтенсивно концентрація розчину зменшувалась в першу годину, а далі швидкість падіння зменшувалась. На рис. 3 показана кінетика зміни концентрації ПАР. Найбільша швидкість падіння концентрації відбувається в першу годину і складає 70-80%. При цьому також вперше встановлено, що має місце сорбція метану розчинами ПАР.



Рис. 3. Кінетика зміни концентрації ПАР.

Насичення вугілля водяними розчинами відбувається шляхом заповнення фільтраційного та сорбційного об'ємів порового простору. Якщо в першому випадку зберігаються закони гідравліки, тобто властивості та стан рідини залишаються без змін, то під час руху рідини у сорбційному об'ємі, коли радіус капіляра сумірний з розмірами молекул, відбувається її структурування, яке проявляється у аномальному збільшенні її в'язкості. Механізм поширення рідини має дифузійний характер з ефективним коефіцієнтом дифузії (Д).

Д* = Д/0 /[1+0,274(1-)]2(1+2,4 /0), (7)

де Д - коефіцієнт вільної (без урахування структурування рідини) дифузії;

r - гідродинамічний радіус молекули дифузійної речовини;

- поруватість досліджуваного матеріалу;

,0 - в'язкість розчину в об'ємі та в мікрокапілярах радіуса rк відповідно.

Як показують дослідження, зміна в'язкості розчину не залежить від виду речовини та розміру молекул, а визначається тільки радіусом капілярів. Контроль за зміною в'язкості, тобто рухливості молекул у воді, здійснюється методом ЯМР. З урахуванням того, що зміна ширини вузької лінії спектру характеризує рухливість молекул, збільшення ширини вузької лінії води свідчить про підвищення її в'язкості.

Залежність ширини вузької лінії спектру ЯМР води від її в'язкості має вигляд:

/0 = 67,424 Н + 1,99 (8)

з коефіцієнтом кореляції 0,943.

Отримані результати дозволили встановити прийомність вугільних пластів до водопоглинення. При Н0,04 ерстед та вмісту води в сорбційному об'ємі

Qc=Vc в

де Vc - сорбційний об'єм, мі (табличні дані для кожного пласта);

в - густина води, т/мі) вугільний пласт не схильний до водопоглинення в режимі зволоження.

Природна вологість в сорбційному об'ємі визначається з площі підінтегральної кривої спектру ЯМР при ширині вузької лінії 0,04 ерстед. При такій ширині вузької лінії в'язкість рідини в порах менше 20 збігається з в'язкістю важкої нафти і більше чим в 5 разів перевершує в'язкість води у вільному стані.

Швидкість розчинення метану у розчині визначалась таким чином. В ампулу постійного об'єму поміщувався один із розчинів (сульфонал або "Пегас") і під тиском 1,0 МПа подавався метан. Потім ампула ізолювалась від балона з метаном та замірявся тиск за часом. На момент стабілізації тиску визначався час розчинення метану рідиною. Найбільш інтенсивно процес розчинення відбувався розчинами сульфоналу та "Пегасу" - час релаксації тиску не перевершував 1 хвилини. У дистильованої води - 5 хвилин.

Швидкість поширення розчинів ПАР у вугільному пласті визначається в основному швидкістю його переміщення через природні мікротріщини (які можливо з невеликими припущеннями уявити у вигляді циліндричних капілярів), а також заповненням об'єму тупикових тріщин та закритих пор. Дані про швидкості поширення рідини у вугільному пласті, які отримані у різних гірничо-геологічних умовах та наведені у літературі, дуже різні. Це визначається різними гірничо-геологічними умовами експериментальних робіт, в першу чергу фільтраційними властивостями вугільного масиву, а також складом ПАР та параметрами нагнітання. Разом з тим, з інтенсивним переміщенням рідини через макротріщини з швидкістю до 2 м/годину, встановлено і переміщення рідини за рахунок капілярних сил з швидкістю до 0,5 м/годину, в тому числі і вгору уздовж підняття крутого пласта. Тому були виконані експериментальні дослідження з визначення швидкості поширення зволожуючих розчинів у вугільному пласті. Для цього із вугілля виготовлялись зразки у вигляді бруска з розмірами: 0,15 м - довжина та поперечний переріз 0,050,05 м. Контроль міри вологості здійснювався на спектрометрі ЯМР. Зразки вугілля поміщувались у штатив, причому нижній торець опускався на 5 см у ємність з розчином ПАР. Через інтервал часу рівний 0,5 години відбирались проби вугілля уздовж висоти (1 г речовини) і визначалась вологість методом ЯМР. Встановлено, що швидкість руху розчину при атмосферному тиску склала: 0,1% розчин сульфоналу - 110-4 м/хвилину; 0,1% розчин "Пегас" - 1,510-4 м/хвилину.

В процесі поширення розчинів ПАР у вугіллі швидкість зволоження зменшувалась за часом, що обумовлено зменшенням концентрації ПАР у розчині.

V=К e-аt, (9)

де К і а - емпіричні коефіцієнти;

t - час, хвилини.

Значення коефіцієнтів коливаються у наступних межах:

К=(0,1-0,7) м/хвилину; а=(0,05-0,15) 1/хвилину.

З використанням запропонованої моделі поширення розчинів ПАР у вугіллі та результатів виконаних експериментів розроблена технологія гідрозволоження, в основі якої лежить оцінка схильності вугільного пласта до зволоження та постадійна подача розчинів ПАР різної концентрації.

Оцінка схильності вугільних пластів до зволоження здійснюється методом ЯМР. На відібраних в шахті зразках вугілля здійснюється визначення кількості природної сорбованої вологи (Qс) за вузькою лінією спектру ЯМР. З відомого сорбованого об'єму встановлюється потенційна кількість сорбованої вологи:

Qc=Vc/ (10)

У зрівнянні значень Qc та Qe, яке визначається за ЯМР, та з урахуванням ширини вузької лінії спектру ЯМР води з співвідношення QeQc та Н0,04 ерстед, пласт відносимо до не зволожуваного.

В результаті аналізу виконаних у дисертації досліджень, а також результатів, які отримані іншими вченими, встановлено, що об'єм нагнітаємого у вугільний пласт розчину недостатній не тільки для заповнення об'єму усіх тріщин, але і для покриття їх поверхні навіть шаром в одну молекулу. Реально у вугільний пласт нагнітається до 20 л/т, або в 10-20 разів менше вакантного об'єму. Проте, ця кількість достатня для зміни фізико-механічних властивостей вугілля та зменшення викидонебезпечності. Це явище можна пояснити тільки поверхневим механізмом поширення молекул розчинів ПАР у вугіллі у вигляді "мозаїчної структури", з сорбуванням їх на активних центрах, що складають до 70% від їх загальної кількості. При цьому відбувається зменшення концентрації розчинів, що впливає на ефективність обробки, так як молекули води менш активні ніж молекули ПАР і будуть проникати у тупикові частини мікротріщин та блокувати поширення розчину.

Запропонований спосіб поетапної обробки вугільних пластів, при якому подача розчину здійснюється у два етапи: спочатку подається 30% від загальної кількості розчину з концентрацією ПАР 0,5%, а остаточну кількість розчину - з концентрацією 0,1%.

Для гідрообробки пласта з вибою штреку бурились свердловини діаметром 42 мм та довжиною до 12 м. Герметизація свердловин здійснювалась на довжину 5,0 м. Тиск нагнітання не перевершував 15 МПа. В кожну свердловину подавалось до 5,0 мі розчину сульфоналу у два етапи: спочатку 2,0 мі розчину сульфоналу концентрації 0,5% та через 24 години 3 мі з концентрацією 0,1%.

Посування виробки при цьому склало 62 м. В процесі посування у кожному циклі здійснювався також відбір проб за схемою, що описана раніше, для визначення вологості. Середнє значення вологості на експериментальній дільниці, яка була оброблена розчином ПАР, склало 3,3% з коефіцієнтом варіації 0,75. Оцінка стану води у поровому об'ємі вугілля за методом ЯМР показала, що до 60% вологи знаходиться в сорбованому стані, а кількість протонів у стані, який відповідає твердому тілу, збільшилась на 24%, що підтверджує запропоновану модель зволоження вугілля розчинами ПАР. При цьому початкова швидкість газовиділення у точці максимуму знизилась від 4,15 до 1,0 л/хвилину. За даною методикою обробка вугільних пластів розчинами ПАР здійснюється на шахтах ВО "Дзержинсквугілля" та "Артемвугілля" для охорони підготовчих пластових виробок.

Висновки

В дисертації надано рішення актуальної наукової та практичної задачі, яке міститься у встановленні особливостей та залежностей процесу зволоження вугільного пласта розчинами ПАР, що дозволило розробити новий спосіб гідрообробки вугільного пласта, який дозволяє управляти станом гірничого масиву біля гірничих виробок. Основні наукові та прикладні результати роботи містяться у наступному.

Дослідженнями встановлено, що обробка вугілля водяними розчинами ПАР приводе до зміни його сорбційно-кінетичних характеристик з збільшенням сорбованої ємності в 1,4-1,6 рази, що обумовлено безповоротним проникненням газу в структуру вугільної речовини.

При взаємодії розчинів ПАР з газом під тиском має місце інтенсивне його поглинання розчином ПАР, причому найбільш активно в перші 15 хвилин.

Процес поширення розчину ПАР у вугіллі відбувається з швидкістю 0,6-1,0 м/годину в інтервалі часу 30-60 хвилин з подальшою стабілізацією до швидкості 0,3 м/годину при концентрації розчину (сульфонол) 0,1-0,5%.

Поширення розчину ПАР у вугіллі супроводжується зменшенням його концентрації внаслідок сорбції його молекул на активних центрах вугільної речовини, причому до 90% концентрації знижується в перші 60 хвилин.

Зниження концентрації відбувається при заповненні 30-40% фільтраційного об'єму пор вугілля.

Вибір концентрації та кількості нагнітаємого розчину залежить від поруватості вугілля, в першу чергу закритої, так як на поширення закритих пор витрачається найбільша кількість розчину.

Розроблений метод поетапного зволоження вугільного пласта розчинами ПАР, який міститься у зміні їх концентрації від 0,5% у першому циклі до 0,1% - у другому.

Розроблений спосіб оцінки схильності вугільного пласта до водопоглинання розчинів ПАР, який міститься у визначенні природної вологи у сорбованому об'ємі методом ЯМР.

Основні положення та результати дисертації опубліковані у роботах

Фельдман Э.П., Питаленко Е.И., Маевский О.В., Шевченко Л.В. Особенности распространения растворов ПАВ в угольном пласте//Физико-технические проблемы горного производства. -Донецк: ДонФТИ, 1998. -С. 59-64.

Питаленко Е.И., Василенко Т.А, Маевский В.С., Шевченко Л.В. Изменение пористости угля при увлажнении пласта водными растворами ПАВ//Известия Донецкого горного института. -1999. -№1. -С.61-63.

Алексеев А.Д., Ульянова Е.В., Василенко Т.А., Маевский О.В. Определение закрытой пористости ископаемых углей//Уголь Украины. -1999. - №4. - С. 20-23.

Питаленко Е.И., Маевский О.В., Шевченко Л.В. Особенности распространения растворов ПАВ в угольном пласте//Горно-металлургические проблемы Донбасса. -Донецк. -1995. -№1 -С. 41-45.

Разработка паспортов управления горным давлением с использованием компьютерной техники./Н.А. Шаповал, Н.А. Алышев, Э.В. Борисенко, Д.М. Житленок, Б.И. Курицын, А.А. Левшин, Ю.Г. Литвинов, Ю.А. Пивень, Е.И. Питаленко, О.В. Маевский, Р.И. Мануйленко, Н.И. Кодак, С.Н. Федотов /Под ред. Н.А. Шаповала. Донецк: 1998. - 118 с.

Алексеев А.Д., Василенко Т.А., Завражин В.В., Маевский О.В., Шевченко Л.В. Использование ПАВ для разгрузки пласта и оценка избыточных напряжений, создаваемых растворенным в углях метаном//Обработка дисперсных материалов и сред. - "Вибротехнология-98". - Одесса: -1998. - вып.8, ч.2. - С.54-56.

А.С. № 143578884 СССР, МКИ Е 21С 39/00. Способ оценки состояния угольного пласта и устройство для его осуществления./Маевский В.С., Гобанина Т.В., Гохберг И.М., Маевский О.В. (СССР) . - № 4208615/22-03. Заявлено 28.01.87; Опубл. 07.11.88, - Бюл. №41. - 3 с.

Методические указания по применению способа отличия внезапного высыпания угля от выброса для экспертной оценки типа газодинамического явления./Алексеев А.Д., Лунев С.Г., Ульянова Е.В., Стариков Г.П., Кузьменко Н.С., Недодаев Н.В., Борисенко Э.В., Маевский О.В., Завражин В.В. - Донецк. - 1998. - 20с.

Размещено на Allbest.ru

...