Обґрунтування параметрів нетрадиційного гідродинамічного видобутку вугілля

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

05.15.02. - Підземна розробка родовищ корисних копалин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обґрунтування параметрів нетрадиційного гідродинамічного видобутку вугілля

Жмихов Віктор Миколайович

УДК 622.234.5(088.8)

Донецьк - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки Національної академії наук України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, завідувач відділом проблем технологій підземної розробки вугільних родовищ Інституту геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ) Софійський К.К.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук провідний науковий співробітник відділу фізики гірничих порід Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАНУ та Мінвуглепрому України (м. Донецьк) Жуков В.Є.

- кандидат технічних наук, доцент кафедри геомеханіки Донецького державного технічного університету (м. Донецьк) Подкопаєв С.В.

Провідна установа - державне підприємство "Комплексний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут з проблем Центрального району Донбасу" (ДонНДІ), м. Горлівка

Захист відбудеться "15" червня 2000 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої ради К 11.184.02 у Відділенні фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАНУ та Мінвуглепрому України за адресою: 83114, вул. Р. Люксембург, 72.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Відділення ФТГП ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАНУ та Мінвуглепрому України за адресою: 83114, вул. Р.Люксембург, 72.

Автореферат розісланий "11" травня 2000 р.

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

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дисертації. Погіршення умов розробки вугільних родовищ, яке пов`язане з неухильним збільшенням глибини їх залягання, приводить до значного зростання кількості пластів, розробка яких традиційними методами не можлива за гірничо-геологічних та гірничотехнічних умов, а також з причин їх високої викидонебезпечності або малої потужності.

Однак, якщо урахувати що Україна найбільш забезпечена вугіллям, і у майбутньому саме вугілля має бути пріоритетним видом палива, однією з задач галузі повинно бути залучення до розробки максимальної кількості пластів, які до останнього часу визнаються до цього непридатними. Це забезпечить дбайливе використання власних запасів цього енергоносія.

Складні умови залягання вугілля на Україні обумовили постановку перед вугільній галуззю та наукою, яка її обслуговує, проблем з якими не зустрічалися у світовій практиці вугледобування.

З науково-дослідних робіт пріоритетними повинні бути роботи, які націлені на створення техніки та технології для розробки пластів, які не можливо розробляти традиційними способами, при цьому повинна бути забезпечена повна безпека людей.

Створення технологій, які дозволяють досягнути високого ступеня безпеки гірничих робіт та достатньо високих коефіцієнтів виймання вугілля з газонасичених, викидонебезпечних, малопотужних пластів, які залягають у складних гірничо-геологічних умовах і по тим чи іншим причинам непридатні для розробки традиційними методами є актуальною науково-практичною задачею, тому що дозволяє уникнути значних втрат енергетичної та коксохімічної сировини.

Цим вимогам відповідає технологія видобутку вугілля із застосуванням нетрадиційної гідродинамічної дії на вугільні пласти через свердловини розчинами підвищеної в'язкості, обгрунтування параметрів якої є завданням даної дисертаційної роботи.

Зв'язок теми дисертації з планом науково-дослідних робіт інституту.

Матеріали дисертації зв'язані з планами науково-дослідних робіт Інституту геотехнічної механіки Національної Академії наук України з проблеми "Розробити технологічні схеми способу пошарового руйнування напружених газонасичених середовищ при нетрадиційній гідродинамічній дії" (№№ держреєстрації 0183U341345 і 0114U042676), а також за програмою Мінвуглепрому України "Розробити системи контролю, способи та технології управління станом крайнапружених і вибухонебезпечних гірничих порід та вугілля" (№№ держреєстрації UA01015901Р і 0195U016052).

Ідея роботи полягає у використанні підвищення в'язкості робочої рідини у відповідності до зростання пористості пласта в процесі видобутку вугілля, метою якого є збільшення коефіцієнту виймання.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є обгрунтування параметрів технології нетрадиційного гідродинамічного видобутку вугілля з коефіцієнтом виймання не менш ніж 0,6.

Для реалізації поставленої мети вирішувалися такі задачі.

1. Теоретично обґрунтувати основні фактори, які впливають на процес гідродинамічного руйнування пористих тіл.

2. Дослідити фактори інтенсифікації процесу руйнування пористих тіл при гідродинамічній дії.

3. Дослідити процес нетрадиційного гідродинамічного видобутку вугілля з застосуванням рідини підвищеної в`язкості.

4. Розробити технологічні схеми нетрадиційного гідродинамічного видобутку вугілля з високим коефіцієнтом виймання.

Методи вирішення поставлених задач включають комплекс теоретичних, лабораторних та шахтних досліджень; використання положень теорії руху рідини у пористому середовищі; аналіз одержаних результатів за допомогою методів математичної статистики і кореляційного аналізу.

Наукова новина одержаних результатів.

1. Уперше установлені закономірності підвищення руйнувального градієнта тиску з підвищенням в'язкості робочої рідини та газовмісту, і зниження цього параметра у відповідності зі збільшенням терміну скидання тиску у системі та проникності пористого тіла.

2. Визначені чисельні значення руйнувального градієнта тиску у залежності від чисельних параметрів впливаючих на нього факторів.

3. Уперше установлені раціональні співвідношення між параметрами в'язкості робочої рідини та проникності пористого тіла, необхідні для його руйнування.

4. Установлено, що підвищення коефіцієнта виймання вугілля до 0,6 можливе, якщо здійснювати гідродинамічну дію поетапно водою, а потім водними розчинами поліакриламіду з в'язкістю 0,04 та 0,09 ПаЧс.

Практичне значення одержаних результатів полягає в отриманні вихідних даних для розробки технології нетрадиційного гідродинамічного видобутку вугілля з коефіцієнтом виймання не менш ніж 0,6; обґрунтуванні раціонального змінення значень параметрів гідродинамічної дії в відповідності зі зміною параметрів пласта у процесі видобутку вугілля; розробці технологічних схем нетрадиційного гідродинамічного видобутку вугілля через свердловини з коефіцієнтом виймання не менш ніж 0,6; включенні розроблених схем до альбому "Технологические схемы ведения горных работ на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа". Результати розробок пройшли випробування у промислових умовах на шахтах ім. Артема, ім. Ф.Є. Дзержинського і Північній виробничого об`єднання "Дзержинськвугілля". Робота готова до впровадження на пластах шахт ЦРД, вилучених з розробки через гірничо-геологічні та гірничотехнічні умови.

Обґрунтованість та вірогідність одержаних результатів підтверджено задовільним збігом даних аналітичних та лабораторних досліджень з результатами шахтних робіт, а також використанням випробуваних методів, приладів і вимірювальної апаратури.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором здійснена постановка задач та обґрунтування аналітичнім та експериментальним шляхом основних параметрів гідродинамічного руйнування пористих тіл, у тому числі вугілля. Отримані чисельні значення параметрів, які визначають процес руйнування, а також раціональні їх співвідношення. Пропонована ідея підвищення в'язкості робочої рідини, проведені лабораторні та шахтні випробування, а також розроблені технологічні схеми нетрадиційного гідродинамічного видобутку вугілля з коефіцієнтом виймання не менш 0,6 шляхом поетапного підвищення в`язкості робочої рідини у відповідності зі збільшенням пористості пласта.

Апробація роботи. Основні положення та окремі результати роботи доповідалися і обговорювалися на ІІ науковій школі "Импульсные разряды в механике сплошных сред" (м. Миколаїв, 1996 р.); на VIIІ науковій школі "Физико-импульсные разряды в конденсированых средах" (м. Миколаїв, 1997 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції присвяченій 80-річчю Національної Академії наук України (м. Дніпропетровськ, 1998 р.), на І міжнародній конференції "Геотехническая механика освоения недр" (м. Дніпропетровськ, 1998 р.), на науково-технічній раді ВО "Дзержинськвугілля", наукових семінарах відділів ІГТМ НАНУ, ВФТГП ДонФТІ НАНУ, ДонНДІ (1997-2000 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 8 статтях у наукових фахових виданнях, 3 тезах доповідей на наукових школах.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновку, списку наведених джерел із 105 найменувань, та містить 126 сторінок машинописного тексту, 48 рисунків, 27 таблиць, 4 додатки.

Основний зміст роботи

Високий ступень небезпеки ведення гірничих робіт, тяжкі умови праці, забруднення навколишнього середовища, висока собівартість вугілля в Україні, та зростання кількості забалансових пластів по гірничо-геологічним, гірничотехнічним та іншим умовам, примушують звернутися до нетрадиційних способів видобутку вугілля.

Розділ 1. Стан питання та задачі досліджень. У першому розділі дисертації викладено аналіз наукових досліджень присвячених характеристиці вугільних ресурсів в Україні та методам нетрадиційної дії на вугільні пласти. Усі відомі за нашого часу методи нетрадиційної дії спрямовані на рішення проблем, які відрізняються за своєю кінцевою метою. Ряд способів припускає переробку вугілля у місці його залягання. До них належить підземна газифікація вугілля, підземне спалювання, хімічна дія на вугілля з метою переводу його у рідкий стан, піроліз, термічна переробка з застосуванням електричного струму. У цьому напрямку найбільш відомі роботи Агроскіна А.А., Аренса В.Ж., Гонтаревського В.П., Звягінцева К.М., Крейніна Є.В., Ржевського В.В., Родіонова Г.П., Федорова О.Н., Янка С.В. Слід відзначити, що з методів, які припускають переробку вугілля у місці його залягання, можливо рахувати більш-менш перспективними підземну газифікацію та підземне спалювання вугілля, якщо будуть вирішені проблеми підвищення теплотворної здатності газу ПГВ, температури теплоносія, яку отримують при ПСВ, а також суттєво знижені втрати компонентів.

Друга група належить до нетрадиційних методів знеміцнення вугільних пластів з метою їх розвантаження, дегазації та підвищення проникності. До таких методів може бути зараховано оброблення вугільних пластів розчинами хімічних речовин, кавітаційне знеміцнення, а також численні методи вібраційної дії. Найбільш суттєвий внесок в цьому напрямку було зроблено Алексєєвим А.Д, Булатом А.Ф., Васильєвим Л.М., Воронковим Г.Я., Жуковим В.Є., Зборщиком М.П., Кусовим М.Ф., М`якеньким В.І., Ножкіним М.В., Потураєвим В.М., Сапіцьким К.Ф., Софійським К.К., Яруніним С.О. Більшість з цих методів зменшують небезпеку ведення гірничих робіт та підвищують навантаження на вибій при традиційних технологіях видобутку вугілля.

І нарешті третя група - це методи нетрадиційного руйнування вугільних пластів у місці залягання з подальшим вийманням вугілля. Ці дослідження спрямовані, в основному, на розробку економічно доцільних і безпечних технологій видобутку вугілля, з застосуванням таких методів, як механічне руйнування (високонапірні струмені води, кумулятивне підривання), хімічне руйнування, а також руйнування шляхом використання сил гірничого тиску і природного газовмісту гірничого масиву у поєднанні з малоенергоємними діями водою чи газом. В цьому напрямку потрібно відзначити дослідження Зоріна А.М., Колесникова В.Г., Лук`янченка Є.С., Мучника С.В., Пузирьова В.М., Репки В.В., Софійського К.К., Хорунжого Ю.Г.

Аналізом установлено, що промислове використання деяких, навіть найбільш перспективних розробок, може вирішити проблему навантаження на вибій та зниження викидонебезпеки, але жодна з них не може стати основою для нетрадиційної технології економічно доцільного видобутку вугілля. Винятком є метод нетрадиційної гідродинамічної дії на напружені газонасичені пласти, розроблений в ІГТМ НАН України під керівництвом доктора технічних наук К.К. Софійського. Цей метод при його подальшому розвиненні та удосконаленні у напрямку підвищення коефіцієнта виймання вугілля може бути основою для розробки нових елементів технології нетрадиційного гідродинамічного видобутку вугілля з високим ступенем виймання. На основі аналізу сформульовано мету та задачі досліджень.

Розділ 2.Теоретичне обґрунтування основних факторів які впливають на процес гідродинамічного руйнування пористих тіл. У другому розділі викладено аналітичні дослідження умов та основних параметрів гідродинамічного руйнування газонасичених пористих тіл. В основі гідродинамічного руйнування полягають особливості процесу фільтрації у пористому газонасиченому середовищі. Відповідно закону Дарсі швидкість фільтрації залежить від коефіцієнта проникності пористого тіла, в'язкості рідини, яка фільтрується крізь нього і градієнта тиску.

Розроблений в ІГТМ НАНУ метод гідродинамічної дії на пористі тіла передбачає створення в пористій системі градієнта тиску шляхом подання рідини з подальшим скиданням тиску на вільній межі пористого тіла, при цьому термін скидання тиску повинен бути, як мінімум, на порядок нижче ніж термін зворотної фільтрації рідини з пористого тіла. Визначений розрахунковим шляхом термін зворотної фільтрації рідини при гідродинамічній дії на вугільні пласти складає 7 секунд. Таким чином, термін скидання тиску на вільній межі пористого тіла не повинен перевищувати 0,7 секунд. При скиданні тиску, вектор градієнта тиску спрямований у бік нульового тиску і співпадає з напрямком зворотної фільтрації рідини з пористого тіла. Рідина, яка пов'язана з поверхнею пор капілярними та адгезійними зв'язками (силами в'язкого тертя), створює гідравлічний опір фільтрації. Градієнт тиску, який діє на площу пор, заповнених рідиною, намагається відірвати шар пористого тіла від масиву. Відриву перешкоджує зчеплення між частками цього тіла. Відрив шару від масиву можливий у тому разі, якщо сила відриву перевищує силу зчеплення.

Отримана залежність, яка установлює умову відриву:

DР=s--(1)

де--DР-----градієнт--тиску,--МПа;

sР-----границя міцності на розрив, МПа;

m - пористість тіла.

Щодо вугілля, то умовою його руйнування при sР=0,1 МПа та пористості пласта 0,05 є створення градієнта тиску не менш ніж 2 МПа.

Поряд з силовим повинен також додержуватися і енергетичний критерій руйнування, якій передбачає подолання поверхневої енергії роботою сил в'язкого тертя.

У результаті розрахунків отримане рівняння руйнувального градієнта тиску:

(2)

гідродинамічний вугілля пористий видобуток

де--m-----в'язкість--робочої--рідини,--ПаЧс;

gX-----ефективна--поверхнева--енергія--(для--вугілля--1_--ПаЧм²);

c-----газовміст--пористого--тіла,--м³/м³;

k-----коефіцієнт--проникності,--м²;

tC - термін скидання тиску, с.

Отримане рівняння дозволяє визначити руйнувальний градієнт тиску, який створюється при скиданні тиску на вільній межі пористого тіла, а також визначити чисельні значини параметрів, які на нього впливають.

На основі рівняння В.Н. Щелкачова, яке характеризує рух пружної рідини у пружному середовищі та при застосуванні методів зміни стаціонарних станів, отримані рівняння, які описують закон розподілення тиску навколо свердловини та закон руху фронту рідини (у неявному вигляді) при подаванні рідини до пласта.

Згідно з формулами було виконано розрахунки для вугільних пластів і отримано закономірності, які характеризують окремі елементи процесу подавання рідини до пласта. Також було розглянуто умови відриву шару пористого тіла, отримано значини товщини цього шару та закономірності, які характеризують взаємозв'язок параметрів процесу руйнування при скиданні тиску. В результаті виконання цих аналітичних досліджень було встановлено чисельні значини деяких параметрів процесу руйнування пористих тіл та основні закономірності його протікання.

Розділ 3. Дослідження факторів інтенсифікації процесу руйнування пористих тіл при гідродинамічній дії. У третьому розділі викладено результати лабораторних досліджень факторів інтенсифікації процесу руйнування пористих тіл при гідродинамічній дії, при цьому підтверджено значину руйнувального градієнту тиску - 2 МПа, яку було визначено аналітичним шляхом; установлено закономірності змінювання градієнта тиску у залежності від параметрів гідродинамічної дії, та визначено шляхи його підвищення для інтенсифікації процесу руйнування пористих тіл.

У процесі нетрадиційного свердловинного видобутку вугілля здійснюється змінення властивостей вугільного пласта: пористість зростає відповідно обсягу видобутого вугілля, а газовміст, як правило, падає.

Для економічно доцільного видобутку необхідно довести коефіцієнт виймання вугілля до 0,6. Таким чином, пористість пласта повинна збільшитися від 5 до 65%. Параметри руйнування за такими умовами раніш не були досліджені. Якщо виходити з вказаних особливостей процесу гідродинамічного руйнування, об'єктами досліджень було обрано тіла, пористість яких відрізнялась на порядок: це вугілля з пористістю від 3 до 6% і газобетони з пористістю від 20 до 50%. Крім того, обрані зразки відрізняються значинами границь міцності, а також коефіцієнта проникності, який обумовлений структурою пористого тіла, зокрема ефективним діаметром пор. В'язкість робочої рідини варіювалася від 0,001 до 0,9 ПаЧс. Усі властивості зразків та робочої рідини визначалися відповідно до ДСТУ та перевірених методик. Деякі фільтраційні властивості пористих зразків (еквівалентний діаметр пор, швидкість фільтрації, коефіцієнт проникності) є розрахунковими.

Для проведення експериментів по визначенню закономірностей руйнування пористих тіл була використана спеціальна установка, клапанний устрій якої дає можливість змінювати тиск у камері за термін, що забезпечує руйнування пористого тіла.

Для експериментального гідродинамічного руйнування були обрані чотири зразки газобетону, які відрізняються міцнісними та фільтраційними властивостями, що дозволяє дослідити закономірності змінювання градієнта тиску у досить широкому діапазоні властивостей пористого тіла і робочої рідини. Кількість зразків кожної проби (5 зразків) забезпечують вірогідність і відтворність результатів експериментів. Дослідження здійснювались за допомогою чистого гліцерину та його водних розчинів в'язкістю 0,9, 0,2 та 0,05 ПаЧс. Дослідження впливу в'язкості робочої рідини на руйнувальний градієнт тиску показали, що найвищі його значень спостерігаються при гідродинамічній дії рідиною з найвищою в'язкістю на пористі тіла з найнижчім показником проникності--mЧk.--

Зниження в'язкості робочої рідини приводить до зниження DР для зраків з однаковою проникністю. Лабораторними дослідами установлено, що при величинах градієнта тиску, які перевищують 2 МПа відбувається 100% руйнування зразків (таблиця 1).

Таблиця 1 - Ступінь руйнування газобетону

Дослідженнями руйнування зразків газобетону установлено також, що другим фактором, якій підвищує градієнт тиску, є газовміст пористого тіла, при цьому одночасно може бути знижена в'язкості робочої рідини. Так для руйнування зразків з mЧk=1,5Ч10-10 м² необхідно щоб при в'язкості 0,9 ПаЧс газовміст складав 1 м³\м³, при 0,2 ПаЧс - 5 м³\м³, а при 0,05 ПаЧс газовміст повинен бути не менш ніж 20 м³\м³.

Установлено також зниження руйнувального градієнта тиску при збільшенні проникності та терміну скидання тиску у системі. Ці закономірності дуже важливі тому, що дають початкові дані для розрахунків параметрів гідродинамічного видобутку вугілля за умовами зростання проникності пласта.

Для лабораторних експериментів гідродинамічного руйнування вугілля обрано зразки шести пластів: l7 - Пугачовка, l1 - Мазур, m3 - Товстий, Уманський шахти ім. Артема, l5 - Солений шахти Північна, k8 - Кам'янка шахти ім. Ф.Е. Дзержинського виробничого об'єднання "Дзержинськвугілля". Зразки відрізняються за своїми фізичними і міцнісними властивостями. Границя міцності на розрив варіюється від 0,05 до 0,1 МПа. Більш значними є відмінності зразків з точки зору їх проникності: від mЧk=3,5Ч10-14 м² для вугілля з пласта l7 - Пугачовка до 45,8Ч10-14 м² для пласта l1 - Мазур. Газовміст обраних для досліджень вугільних пластів складає від 15 до 24 м³\м³. Гідродинамічна дія на зразки здійснювалася водою (m=10-3 ПаЧс) і водяними розчинами поліакриламіду (m=5Ч10-3 ПаЧс і m=10-2 ПаЧс).

Дослідами на лабораторній установці визначено, що усі зразки з природною проникністю були зруйновані водою. Але при підвищенні проникності вугілля від 10Ч10-14 м² до 40Ч10-14 м², градієнт тиску падає до значин менш ніж 1 МПа, при цьому руйнування припиняється, але якщо підвищити в'язкість робочої рідини до m=5Ч10-3 ПаЧс значина градієнту тиску досягне 3,5 МПа і процес руйнування відновлюється.

Дослідження довели, що газовміст вугілля суттєво впливає на величину градієнта тиску. Для більшості вугілля стабільне руйнування відбувається при значині газовмісту, яка перевищує 10 м³/м³, що багаторазово спостерігалося раніш при дослідженні процесу гідродинамічної дії на вугільні пласти.

Залежності градієнта тиску від терміну скидання тиску у системі довели, що при достатньо короткому терміні скиду тиску (до 0,1 с) може бути досягнено досить високих значин градієнта тиску. Але у промислових умовах специфіка обладнання та процесу гідродинамічної дії не дозволяє скоротити термін скидання тиску нижче ніж 0,1 с. Результати досліджень довели, що для вугілля ,якщо термін скидання тиску у свердловині дорівнює 0,5 с, то цього достатньо, щоб отримати руйнувальну значину градієнта тиску - 2 МПа.

Установлено, що для досягнення градієнта тиску, здібного руйнувати пористі тіла, повинне бути витримане певне співвідношення між в'язкістю робочої рідини m та проникністю пористого тіла mЧk. Для дослідження впливу такого співвідношення на руйнувальний градієнт тиску прийнято комплексний показник mЧ. Очевидно, що при збільшенні проникності пласта у міру того, як буде вийматися з нього вугілля, слід підвищувати в'язкість робочої рідини, щоб додержати баланс між цими факторами для досягнення необхідного ефекту руйнування.

Установлено також, що на величину градієнта тиску суттєво впливає газовміст пористого тіла. Знайти оптимальні значення в'язкості робочої рідини у процесі видобутку вугілля допомагає діаграма, яка зображена на рисунку 1. Діаграма дозволяє обчислити значення в'язкості за умовами підвищення проникності пласта, та поступового зниження газвмісту в процесі видобутку вугілля.

Лабораторні експерименти дозволили визначити основні фактори, які впливають на величину руйнувального градієнта тиску, установити їх чисельні значення, а також зробити висновок, що єдиний спосіб підтримувати процес руйнування вугілля та підвищити коефіцієнт його виймання є поступове підвищення в'язкості робочої рідини.

Рисунок 1 - Залежність градієнта тиску DPmax від комплексного показника і газовміста c

Розділ 4. Дослідження процесу нетрадиційного гідродинамічного видобутку вугілля з застосуванням рідини підвищеної в'язкості. У четвертому розділі викладено результати шахтних експериментальних робіт з нетрадиційного гідродинамічного видобутку вугілля із пластів, які відрізняються за своїми властивостями та технічними параметрами: l7 - Пугачовка і l1 - Мазур з шахти ім. Артема, k8 - Кам'янка з шахти ім. Ф.Е. Дзержинського, l5 - Солений з шахти Північна виробничого об'єднання "Дзержинськвугілля". Головною метою цих досліджень було підтвердження можливості підвищення коефіцієнта виймання вугілля шляхом поетапного збільшення в'язкості робочої рідини.

У цьому розділі наведено умови проведення експериментальних робіт, які вміщують характеристику вугільних пластів та властивості вугілля; засоби випробувань та вимірювань; послідовність підготовлення і проведення випробувань. Вирішувалися такі задачі: визначити динаміку виймання вугілля при гідродинамічній дії водою і водними розчинами поліакриламіду; динаміку змінення пластового тиску; динаміку газовиділення; установити границю переведення гідродинамічної дії на наступну стадію підвищення в'язкості робочої рідини; визначити динаміку змінення площі розвантаження пласта у залежності від кількості видобутого вугілля. Тиск, який створювався у свердловині варіювався від 2 до 10 МПа, у залежності від газовмісту та міцності вугілля. Виміряння кількості видобутого вугілля здійснювалося шляхом приймання водовугільної суспензії у таровані за об'ємом вагонетки.

На першому етапі досліджень було поставлено задачу визначити у шахтних умовах величину коефіцієнта виймання вугілля, яка може бути досягнута при гідродинамічній дії водою.

Дослідження динаміки виймання вугілля при гідродинамічній дії водою виявили, що коефіцієнт виймання вугілля за цих умов не може перевищувати 0,2-0,24.

Характер змінювання пластового тиску у процесі гідродинамічного видобутку вугілля такий: більш різке падіння тиску спостерігається при руйнуванні найбільш газонасиченого вугілля (пласти l7 - Пугачовка, l1 - Мазур). Пласти k8 - Кам'янка і l5 - Солений через низькі значини пластового тиску відрізнялись більш поступовим його зниженням.

Дослідження динаміки газовиділення показали, що значна частина газу виділяється із зони гідродинамічної дії вже при застосуванні води, тому слід намагатися максимально утримувати газ у пласті протягом усього процесу видобутку вугілля.

При вивченні можливостей збільшення коефіцієнту виймання при гідродинамічній дії розчинами підвищеної в'язкості було отримано закономірності змінення кількості видобутого вугілля у залежності від довжини свердловини та потужності пласта; визначено величини коефіцієнту виймання при заданих значеннях в'язкості робочої рідини; досліджено динаміку виймання вугілля при підвищеній в'язкості, та визначено, як будуть змінюватися площа руйнування, ситовий склад та зольність вугілля при поетапному підвищенні в'язкості робочої рідини.

У процесі експериментальних робіт по гідродинамічному видобутку вугілля із застосуванням робочої рідини підвищеної в'язкості були коректовані значення в'язкості у порівнянні з розрахунковими. У шахтних умовах, завдяки додатковій дії газу, що міститься в вугільних пластах, можливо досягнути величини коефіцієнта виймання, що дорівнює 0,6 при в'язкості робочої рідини нижче розрахункової. Такого результату було досягнуто при в'язкості, яка дорівнює 0,09 ПаЧс, на відміну від розрахункової, яка дорівнює 0,14 ПаЧс. Таким чином, гідродинамічна дія на вугільні пласти замість чотирьох, проводилася у три стадії: перша - дія водою, друга - розчином поліакриламіду в'язкістю 0,04 ПаЧс (концентрація розчину 1%), і третя - розчином поліакриламіду в'язкістю 0,09 ПаЧс (концентрація розчину 1,2%).

Фактичні значення коефіцієнтів виймання вугілля збільшуються у порівнянні з розрахунковими при підвищенні газовмісту пласта. Найбільш придатними для свердловинного видобутку вугілля є пласти, газовміст котрих складає не менш ніж 10 м³/м³, а пластовий тиск - не менш ніж 2,5 МПа. Вимір площі руйнування показує, що вона практично не збільшується при гідродинамічному видобутку вугілля розчинами підвищеної в'язкості в порівнянні з дією водою, лише підвищується ступінь руйнування.

Ситовий аналіз видобутого вугілля показав, що його крупність та зольність при підвищенні в'язкості практично не змінюються, що свідчить про те, що породи, які вміщують вугільний пласт не руйнуються.

Динаміка видобутку вугілля водою та розчинами підвищеної в'язкості приведено у таблиці 2.

Дані, наведені у таблиці 2 щодо об'ємів видобутого вугілля та коефіцієнтів виймання доводять можливість підвищення коефіцієнтів виймання до 0,6, а для деяких пластів ще вище, шляхом поетапного підвищення в'язкості робочої рідини. В залежності від потужності пласта і довжини свердловини з однієї свердловини було видобуто від 35 до 94 т. Максимального коефіцієнта виймання - 0,66 було досягнуто при видобутку з найбільш газонасиченого пласта l7 - Пугачовка, а мінімального - з пласта l5 - Солений.

Розділ 5. Розробка технологічних схем нетрадиційного гідродинамічного видобутку вугілля з високим коефіцієнтом виймання. У п'ятому розділі запропоновано технологічні схеми розробки вугільних пластів за допомогою методу нетрадиційної гідродинамічної дії рідиною підвищеної в'язкості, основні параметри цього процесу, економічна ефективність та перспективи розвитку ідеї нетрадиційної гідродинамічної технології видобутку вугілля.

Технологічні схеми нетрадиційного видобутку вугілля базуються на гідродинамічному його руйнуванні, яке дозволяє максимально концентрувати гірничі роботи при одночасному покращанні умов праці та підвищенні безпеки робіт.

Вибір елементів технологічної схеми нетрадиційного видобутку вугілля гідродинамічною дією залежить від гірничо-геологічних умов - газовмісту, кута залягання, потужності; фізико-механічних властивостей вугільного пласта і уміщуючих порід, а також гірничотехнічних факторів - довжини і висоти видобувної дільниці, способу підготування видобувної дільниці (польова або пластова), порядку відробки видобувного поля (прямий, зворотний).

Таблиця 2 - Динаміка видобутку вугілля

Розрахункова мінімальна кількість вугілля, яке виймається крізь одну технологічну свердловину визначається площею ефективного впливу свердловини з урахуванням виймання вугілля не менш ніж 60% від загальної маси його в оброблюваній зоні:

Gmin=_,6ЧSзагЧmЧg=_,6ЧlпрЧlп-пЧmЧg,

де Gmin - мінімальна кількість вугілля, т; 0,6 - коефіцієнт виймання; Sзаг - загальна площа впливу свердловини, м²; lпр - довжина ефективного впливу по простяганню, м; lп-п - довжина ефективного впливу по падінню та підняттю, м; m - потужність пласта, м; g - об'ємна вага, т/м³.

Автором розроблені технологічні схеми видобутку вугілля в нижній частині щитової лави, та видобутку блоками по падінню пласта з видачею вугілля через груповий скат.

Перша технологічна схема призначена для видобутку вугілля в нижній частині смуг, що відробляються щитовими агрегатами, якщо неможлива їх доробка через гірничо-геологічні або гірничотехнічні умови.

Друга технологічна схема призначена для видобутку вугілля з газоносних пластів при пластовій, або польовій підготовці шахтного поля (рисунок 3).

Підготовчі роботи полягають у проведенні пластових відкочу вального та вентиляційного штреків при пластовому підготуванні видобувної дільниці або відкотного та вентиляційного польових штреків і відкотного та вентиляційного проміжних квершлагів при польовому підготуванні шахтного поля; проведенні групового скату по вугільному пласту, спорудженні ніш для буріння технологічних свердловин та приймального бункеру для вугілля.

Видобуток вугілля здійснюється крізь дві протилежні свердловини з відробкою у напрямку зверху униз. Кожна свердловина обладнується окремою гідросистемою і вони працюють по черзі.

Водовугільна суспензія і газ із свердловини надходять у транспортне відділення скату: вугілля та вода під власною вагою надходять униз у приймальний бункер, а газ уверх у дегазаційну систему.

Руйнування вугілля виконується за допомогою гідродинамічної дії за умов поетапного підвищення в'язкості робочої рідини у міру того як знижується кількість вугілля, яке надходить за один робочий цикл. На першому етапі гідродинамічна дія здійснюється водою, на другому - розчином поліакриламіду з в'язкістю 0,04 ПаЧс, на третьому розчином поліакриламіду з в'язкістю 0,09 ПаЧс.

Схеми забезпечують видобуток вугілля з коефіцієнтом виймання 0,55-0,65.

Розрахунковий економічний ефект від впровадження технологічної схеми видобутку вугілля у нижній частині щитової лави по одному щитовому агрегату складає 5745 грн. на рік. Згідно розрахунковим даним по першій схемі добовий видобуток вугілля складає 350 т, річний - 7560 т, по другій - відповідно, 350 т і 194000 т.

Розвинення робіт з нетрадиційного гідродинамічного видобутку вугілля, за думкою автора, доцільне у напрямку розробки технологічних схем видобутку із пластів з кутом падіння менш ніж 350, зниження собівартості вугілля шляхом створення замкненого циклу використання розчинів поліакриламіду, а також підвищення в'язкості цих розчинів за допомогою мікродобавок хімічних речовин.

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою в якій науково обґрунтовані основні параметри технології нетрадиційного гідродинамічного видобутку вугілля, на підставі чого вирішена актуальна народногосподарська задача економічно доцільного виймання вугілля з пластів які визнані непридатними до розробки через гірничо-геологічні та гірничотехнічні умови.

В процесі виконання робіт отримані наступні підсумкові наукові висновки і практичні результати.

1. Теоретичними, лабораторними та шахтними експериментальними дослідженнями установлено закономірності змінювання руйнувального градієнта тиску при гідродинамічній дії на газонасичені пористі тіла у залежності від значень в'язкості робочої рідини, газовмісту пористого тіла, його проникності та терміну скидання тиску на вільній поверхні.

2. Установлено, що стабільне руйнування пористих тіл здійснюється при величині руйнувального градієнта тиску не менш ніж 2 МПа; зниження його приводить до порушення стабільності руйнування а при значинах DP нижче 1,5 МПа процес припиняється.

3. Установлено співвідношення між в'язкістю робочої рідини та проникністю пористого тіла, які необхідні для його руйнування та дозволяють визначити оптимальні значення в'язкості у процесі гідродинамічного видобутку вугілля.

4. Установлено, що єдиним фактором, що дозволяє підтримувати процес гідродинамічного руйнування, є поетапне зростання в'язкості робочої рідини до розрахункових значення у відповідності з поступовим зростанням проникності та зниженням газовмісту пласта в процесі гідродинамічного видобутку вугілля.

5. Теоретичними, лабораторними та шахтними експериментальними дослідженнями доведено можливість підвищення коефіцієнта виймання вугілля з пласта до 0,6, якщо послідовно здійснювати гідродинамічну дію водою, а потім водними розчинами поліакриламіду з в'язкістю 0,04 ПаЧс, та 0,09 ПаЧс (концентрації, відповідно, 1% та 1,2%).

6. У результаті проведення шахтних експериментальних робіт на чотирьох пластах з однієї свердловини було добуто від 35 до 94 т вугілля.

7. Розроблено технологічні схеми видобутку вугілля нетрадиційною гідродинамічною дією на пласти які дозволяють вести розробку вугільних родовищ у широкому діапазоні гірничо-геологічних та гірничотехнічних умов.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Софийский К.К., Зберовский В.В., Иванов В.С., Жмыхов В.Н. Оценка эффективности нетрадиционного гидродинамического воздействия акустоэмиссионным методом при отработке крутых выбросоопасных пластов щитовыми агрегатами // Известия Донецкого горного института. - Донецк: ДонУНПГО. - 1997. - №2(6). - С. 83-86.

2. Силин Д.П., Зберовский В.В., Нечитайло В.А., Жмыхов В.Н. Результаты исследования степени дегазации угольных пластов при гидродинамическом воздействии // Геотехническая механика. - Днепропетровск: Полиграфист. - 1997. - №3. - С. 179-180.

3. Зберовский В.В., Воробьев Е.А., Жмыхов В.Н. К вопросу отработки выбросоопасных угольных пластов щитовыми агрегатами // Геотехническая механика. - Днепропетровск: Полиграфист. - 1998. - №5. - С. 190-193.

4. Силин Д.П., Нечитайло В.А., Жмыхов В.Н., Чудовская Э.Е. Инициирование процессов разрушения угля при гидродинамическом воздействии // Геотехническая механика. - Днепропетровск: Полиграфист. - 1998. - №5. - С. 194-195.

5. Софийский К.К., Александров В.Г., Воробьев Е.А., Жмыхов В.Н. Гидродинамическое воздействие - основное направление разработки нетрадиционных способов добычи угля и газа, предотвращения внезапных выбросов и дегазации угольных пластов // Геотехническая механика. - Днепропетровск: Полиграфист. - 1998. - №10. - С. 179-183.

6. Жмыхов В.Н. Исследование факторов интенсификации процесса разрушения угольных пластов при гидродинамической добыче угля // Известия Донецкого горного института. - Донецк: ДонУНПГО. - 1999. - №1. - С. 39-44.

7. Софийский К.К., Мучник Э.И., Жмыхов В.Н. Возможность повышения продуктивности скважины в процессе нетрадиционной гидродинамической добычи угля // Известия Донецкого горного института. - Донецк: ДонУНПГО.- 1999.- №3. - С. 93-95.

8. Софийский К.К., Барадулин Е.Г., Жмыхов В.Н., Бойко В.И. Технологические решения повышения коэффициента извлечения при нетрадиционной гидродинамической добыче угля // Геотехническая механика. - Днепропетровск: Полиграфист. - 2000. - №18. - С. 85-90.

9. Софийский К.К., Мучник Э.И., Жмыхов В.Н., Бойко В.И. Влияние гидродинамического воздействия на пространственные пористые среды // Тезисы докладов II научной школы "Импульсные процессы в механике сплошных сред". - Николаев. - 1996. - С. 193-194.

10. Софийский К.К., Мучник Э.И., Жмыхов В.Н., Чудовская Э.Е. Гидродинамическое воздействие на газонасыщенный угольный пласт с целью добычи метана // Тезисы докладов YШ научной школы "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах". - Николаев. - 1997. - С. 107-108.

11. Софийский К.К., Мучник Э.И., Александров В.Г., Жмыхов В.Н., Ивашкин Е.Д. Повышение коэффициента извлечения угля при нетрадиционной гидродинамической добыче // Тезисы докладов III научной школы "Импульсные процессы в механике сплошных сред". - Николаев. - 1999. - С. 92-94.

Авторський внесок:

- оцінка методів нетрадиційного гідродинамічного впливу на вугільний пласт [1,3];

- дослідження процесів що відбуваються у вугільному пласті (пористих газонасичених середах) при гідродинамічному впливі [2, 4, 9, 10];

- розробка параметрів технології гідродинамічного впливу на викидонебезпечні вугільні пласти [5, 7, 11];

- розробка елементів технологій підвищення коефіцієнта витягу вугілля [8].

Здобувач Жмихов В.Н.

Анотація

Жмихов В.М. - Обгрунтування параметрів нетрадиційного гідродинамічного видобутку вугілля. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - підземна розробка родовищ корисних копалин. - Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАНУ та Мінвуглепрому України, Донецьк, 2000.

Дисертаційна робота містить нове рішення актуальної наукової та практичної задачі, пов'язаної з визначенням факторів підвищення коефіцієнта виймання при нетрадиційному гідродинамічному видобутку вугілля крізь свердловини з напружених газонасичених пластів і розробкою елементів технології такого видобутку.

Отримано раніш невідомі закономірності змінення руйнувального градієнта тиску в залежності від основних факторів процесу гідродинамічного видобутку вугілля, визначено умови підтримування процесу гідродинамічного руйнування вугільних пластів з метою отримання економічно доцільних результатів видобутку. Установлено, що найважливішою умовою збільшення коефіцієнта виймання є підвищення в'язкості робочої рідини у міру того, як збільшується пористість пласта при вийманні з нього вугілля.

Ефективність отриманих результатів полягає у збільшенні обсягів розробки пластів, які є забалансовими за гірничо-геологічних та гірничотехнічних умов.

Ключові слова: нетрадиційний гідродинамічний видобуток, руйнувальний градієнт тиску, свердловина, в'язкість робочої рідини, газовміст, пористість, розчин поліакриламіду.

Summary

Zhmykhov V.N. Basing parameters of untraditional hydrodynamic coal extraction. - Manuscript.

The thesis submitted for a candidate of technical science degree in the field 05.15.02. - underground development of deposits of minerals. - The Department of Physico-Technical mining problems DonPTI by name A.A. Galkin, Ukrainian National Academy of sciences, Donetsk, 2000.

The dissertation is contains a new solution of actual scientific and practical problem consisting, in determination of the factors of coefficient's extract raising during untraditional hydrodynamic coal extraction.

Theoretical and experimental investigations have established, that viscosity's augmentation of working liquid is necessary condition of coefficient's extract raising.

Investigation's results permitted to working out technological schemes of coal extracting out of the unproductive abandoned seams.

Key words: untraditional hydrodynamic extraction, destructive gradient of pressure, chink, viscosity of working liquid, porosity, gas-content, solution of polyacrilamid.

Аннотация

Жмыхов В.Н. - Обоснование параметров нетрадиционной гидродинамической добычи угля. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - подземная разработка месторождений полезных ископаемых. - Отделение физико-технических горных проблем ДонФТИ им. А.А. Галкина НАНУ и Минуглепрома Украины, Донецк, 2000 г.

Диссертационная работа содержит новое решение актуальной научной и практической задачи определения факторов, повышающих коэффициент извлечения угля при нетрадиционной гидродинамической добыче его через скважины из напряженных газонасыщенных пластов и разработки элементов технологии такой добычи.

В настоящее время в связи с ухудшением условий добычи угля быстро увеличивается в рамках подготовленных шахтных полей число пластов, отработка которых традиционными способами по тем или иным причинам невозможна. Применение традиционных способов целесообразно в этих случаях при условии отработки с достаточно высоким коэффициентом извлечения угля, что до настоящего времени не было возможно.

Автором диссертации были исследованы факторы, определяющие значения разрушающего градиента давления, возникающего при нетрадиционном гидродинамическом воздействии на угольные пласты. Было установлено, что величина разрушающего градиента давления повышается при повышении вязкости рабочей жидкости и газосодержания угольного пласта и снижается при увеличении проницаемости пласта и времени сброса давления в скважине. В условиях нетрадиционной гидродинамической добычи угля, когда пористость пласта возрастает по мере извлечения угля, а газосодержание снижается, единственным условием поддержания процесса разрушения угля является поэтапное повышение вязкости рабочей жидкости.

Установлено, что для достижения коэффициента извлечения угля равного 0,25 следует производить гидродинамическое воздействие водой; равного 0,45 - воздействие раствором полиакриламида вязкостью 0,04 ПаЧс; и равного 0,60 - воздействие раствором полиакриламида вязкостью 0,09 ПаЧс (концентрации растворов, соответственно, 1% и 1,2%).

Определено, что скорость фильтрации жидкости в пористом теле зависит от коэффициента проницаемости - параметра, характеризующего пористую среду, вязкости параметра, характеризующего жидкость и силового параметра - градиента давления. При этом в любых условиях ведения процесса добычи, величина разрушающего градиента давления должна быть не менее 2 МПа. Приведенные в диссертации расчетные формулы и графики позволяют определить оптимальные значения вязкости для различных условий ведения процесса добычи угля.

В диссертации приведены результаты исследования динамики газовыделения в процессе нетрадиционной гидродинамической добычи угля. Автором установлено, что наиболее пригодными для предлагаемого способа добычи являются пласты с газосодержанием не менее 10 м³/м3, пластовым давлением газа не менее 2,5 МПа и углом падения не менее 35° с вмещающими угольный пласт породами любой устойчивости.

Автором установлено, что при повышении вязкости рабочей жидкости крупность и зольность добываемого угля практически не меняется, что говорит о том, что вмещающие породы при этом не разрушаются. Предложенные технологические схемы нетрадиционной гидродинамической добычи угля предусматривают добычу из нижней части полос, отрабатываемых щитовыми агрегатами, если их доработка невозможна по горно-геологическим или горнотехническим условиям, а также добычу угля из газоносных пластов блоками при пластовой или полевой подготовке шахтного поля. Экспериментальная проверка технологии в шахтных условиях подтвердила правильность установленных параметров.

Определены перспективные направления области применения разработанных технологических схем с применением нетрадиционной гидродинамической добычи угля.

Разработанные технологические схемы добычи угля нетрадиционным гидродинамическим воздействием на пласты позволяют вести разработку месторождений в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий, это обстоятельство оправдывает невысокий экономический эффект, получаемый при применении разработанных схем добычи угля: 5745 грн. в год для добычи в нижней части щитовой лавы, и 209440 грн. в год для добычи угля блоками по падению пласта.

Ключевые слова: нетрадиционная гидродинамическая добыча, разрушающий градиент давления, скважина, вязкость рабочей жидкости, газосодержание, пористость, раствор полиакриламида.

Размещено на Allbest.ru

...