Обгрунтування параметрів способу запобігання раптовим викидам вугілля і газу при щитовій виїмці

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ ГІРНИЧИХ ПРОЦЕСІВ

УДК 622.831.325

Спеціальність 05.15.09.-«Геотехнічна і гірнича механіка»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ СПОСОБУ ЗАПОБІГАННЯ РАПТОВИМ ВИКИДАМ ВУГІЛЛЯ І ГАЗУ ПРИ ЩИТОВІЙ ВИЇМЦІ

Волошина Наталія Ігорівна

Донецьк - 2009



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк).

Науковий керівник: член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук Алєксєєв Анатолій Дмитрович, директор Інституту фізики гірничих процесів НАН України.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Павлиш Володимир Миколайович, завідувач кафедри обчислювальної математики і програмування Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк);

кандидат технічних наук, Канін Володимир Олексійович, завідувач відділу захисних пластів і управління станом гірського масиву Українського державного науково - дослідного та проектно-конструкторського інституту гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України (м. Донецьк).

Захист відбудеться «12 » 03 2009 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.02. при Інституті фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург, 72.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізики гірничих процесів НАН України за адресою: 83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург, 72.

Автореферат розісланий « 11 » 02_2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.184.02, доктор технічних наук В.Г. Синков



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації. Існуюча потреба вітчизняної промисловості в коксівному та енергетичному вугіллі, а також необхідність рішення соціальних питань мешканців малих міст і селищ Центрального району Донбасу (ЦРД) роблять доцільною інтенсифікацію вуглевидобутку в цьому геолого-промисловому районі. Проте, на шляху до збільшення темпів відробки виїмкових полів і зростання кількості одночасно розроблюваних шахтопластів опиняються, найчастіше, гірничо-геологічні умови їх залягання. Особливо ускладнює ведення гірничих робіт на глибоких горизонтах схильність вугільних пластів до раптових викидів вугілля і газу.

Як показує досвід відробки крутих вугільних пластів, щитова виїмка є найбільш технологічною і безпечною серед використовуваних в даний час способів виїмки вугілля, проте її застосування не виключає необхідності використання противикидних заходів. Противикидні заходи, що застосовуються при відробці щитових лав, на жаль, або не демонструють високої надійності, або мають обмеження за гірничо-геологічними умовами використання, або значно стримують вуглевидобуток, а перспективні, які добре зарекомендували себе в умовах як пологих, так і крутих вугільних пластів заходи (такі, як зволоження вугільного пласта розчинами поверхнево-активних речовин та ін.), для умов щитової виїмки (відмінних цілою низкою особливостей формування напружено - деформованого стану привибійної зони), не мають науково - обґрунтованих ефективних параметрів використання. У цьому зв'язку розробка і обґрунтування параметрів способу запобігання раптовим викидам вугілля і газу при щитовій виїмці є актуальною науково-технічною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Розробка способів запобігання газодинамічним явищам (ГДЯ) для створення безпечних умов праці при підземному вуглевидобутку є одним з наукових напрямів роботи Інституту фізики гірничих процесів Національної Академії наук України. Дисертаційна робота є однією з частин досліджень, що виконані за тематикою інституту: тема № 0102U003845 «Вид напруженого стану вугілля та фазовий стан метану в ньому при руйнуванні»; тема № 0103U008342 «Дослідження кінетики газовиділення з вугілля різних марок з урахуванням його сорбційних властивостей»; тема №0103U008343 «Розробка способу прогнозу осередків викидів вугілля і газу при веденні гірничих робіт за комплексом фізичних показників».

Мета і задачі досліджень.

Метою роботи є обґрунтування параметрів способу запобігання раптовим викидам вугілля і газу при щитовій виїмці крутих вугільних пластів, що дозволяє збільшити безпеку ведення робіт і навантаження на очисний вибій.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані та вирішені наступні задачі:

- встановити закономірності впливу метану і фізично зв'язаної вологи у вугіллі на деформаційні властивості викидонебезпечного вугілля і на механізм його руйнування;

- встановити закономірності впливу виду напруженого стану вугілля на зміну енергії активації десорбції метану та на підставі встановлених закономірностей розробити критерій оцінки ефективності гідрообробки вугільного масиву; викидонебезпечний вугілля пласт волога

- обґрунтувати параметри способу запобігання раптовим викидам вугілля і газу шляхом нагнітання водного розчину поверхнево-активних речовин (ПАР) у вугільний пласт при щитовій виїмці.

Ідея роботи полягає у використанні механізму деформування вугілля (тріщинувато-пористого твердого тіла) в привибійній частині щитової лави для обґрунтування параметрів зволоження вугільного пласта розчинами ПАР і контролю ефективності гідрообробки.

Об'єктом дослідження є щитові лави вугільних шахт ЦРД.

Предметом досліджень є напружено-деформований стан привибійної частини крутого викидонебезпечного вугільного пласта при його відпрацюванні щитовими агрегатами.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої в роботі мети послідовно використані:

- аналіз і узагальнення літературних джерел та досвіду ведення очисних робіт на крутих викидонебезпечних пластах ЦРД;

- аналітичні дослідження розподілу напружень в привибійній частині вугільного пласта, при його відпрацюванні щитовим агрегатом;

- лабораторні дослідження механізму деформування вугілля при його газо- і вологонасиченності;

- натурні спостереження за динамікою газовиділення з вугільного пласта, вмістом в ньому адсорбованої вологи і зміною енергії активації десорбції метану з вугілля.

Основні наукові положення, що виносяться на захист:

Зміна напружено-деформованого стану привибійної частини вугільного масиву з узагальненого стиснення на узагальнений зсув, що виключає газодинамічні явища, залежить від величини вмісту адсорбованої вологи у вугіллі.

Збільшення кількості адсорбованої вологи у вугіллі призводить до зменшення модуля спаду вугілля, що характеризує ступінь викидонебезпечності вугільного масиву.

Зміна виду напружено-деформованого стану в привибійній частині вугільного пласта від узагальненого стиснення до узагальненого розтягування призводить до зміни енергії активації десорбції метану і характеризує ступінь викидонебезпечності.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Обґрунтовані параметри обробки водними розчинами ПАР крутих викидонебезпечних вугільних пластів при їх відпрацюванні щитовими агрегатами.

2. Вперше розроблений критерій для оцінки ефективності противикидних заходів, який враховує збільшення енергії активації десорбції метану з вугільного пласта.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій роботи підтверджена коректністю поставлених задач, використанням фундаментальних положень фізики твердого тіла і механіки суцільних середовищ, результатами моделювання руйнування в умовах нерівнокомпонентного тензора напружень і визначення концентрації вологи у вугіллі, отриманими за допомогою унікальних установок нерівнокомпонентного тривісного стиснення (УНТС) і ядерно-магнітного резонансу (ЯМР), достатньою кількістю експериментальних досліджень з визначення параметрів кінетики десорбції метану з вугілля, збіжністю результатів розрахунків з даними натурних спостережень. При цьому коефіцієнт кореляції для встановлених залежностей знаходиться в межах 0,78-0,84, що свідчить про тісний зв'язок між факторами, що досліджувались. Відхилення розрахункових значень від фактичних не перевищує 20 %.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей деформування вугілля в при вибійній частині щитової лави і закономірностей впливу ступеня порушенності тріщинувато-пористої структури вугілля на енергію активації десорбції метану.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що, ґрунтуючись на отриманих закономірностях, були розроблені параметри способу зволоження крутих вугільних пластів для запобігання раптовим викидам вугілля і газу і метод контролю ефективності гідрообробки, що сприяє підвищенню безпеки ведення робіт і збільшенню навантаження на очисний вибій.

Впровадження результатів роботи. Встановлені автором закономірності дозволили розробити параметри способу зволоження крутих вугільних пластів для запобігання раптовим викидам вугілля і газу в щитових лавах, які увійшли до нормативного документа: СОУ 101.00171144.004-2004 «Запобігання раптовим викидам вугілля і газу в разі виймання крутих вугільних пластів щитовими агрегатами». Розрахунковий економічний ефект від упровадження складає 251 тис. грн./рік по одному щитовому вибою в умовах шахти ім. Ф.Е. Дзержинського ДП «Дзержинськвугілля».

Особистий внесок здобувача полягає у виборі ідеї і мети роботи, формулюванні задач і методів досліджень, наукових положень і визначенні новизни роботи, проведенні і обробці результатів лабораторних, аналітичних і шахтних досліджень. Здобувач брав участь в складанні нормативного документа СОУ 101.00171144.004-2004 «Запобігання раптовим викидам вугілля і газу в разі виймання крутих вугільних пластів щитовими агрегатами». Зміст дисертації викладений автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи в цілому і окремі її частини обговорювалися на наукових семінарах Інституту фізики гірничих процесів НАН України в 2001 - 2004, 2007, 2008 р.р. та на науково-технічних конференціях:

- Міжнародна конференція «Форум гірників-2003» (Дніпропетровськ, Дніпропетровський національний гірничий університет, 2003 р.);

- XIII щорічна міжнародна наукова школа «Вібротехнологія-2003» по механічній обробці дисперсних (сипких) матеріалів і середовищ ім. академіка Ф.Д. Овчаренко (Одеса, 2003 р.);

- Міжнародний енергетичний форум «МЕФ СНД - 2003, 2004» (Крим, 2003, 2004 р.р.);

- третя Міжнародна науково-практична конференція «Метан вугільних родовищ України» (Дніпропетровськ, 2004 р.).

Публікації. Основні наукові і практичні результати були опубліковані в 11 роботах, серед яких 7 статей - у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України і 3 - у матеріалах науково-технічних конференцій. За матеріалами дисертації розроблений 1 галузевий стандарт для вугільної промисловості.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків і 6 додатків. Вона містить 29 рисунків, 12 таблиць, список використаних літературних джерел з 111 найменувань. Робота викладена на 162 сторінках машинописного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Ефективність роботи вугільних підприємств багато в чому залежить від ритмічності і безперервності процесу вуглевидобутку. На можливість здійснення ефективного і безпечного вуглевидобутку значний вплив чинять гірничо-геологічні умови, особливо схильність значної частини шахтопластів Донбасу до раптових викидів вугілля і газу. При виникненні раптових викидів вугілля і газу не тільки збільшується вартість ведення гірничих робіт за рахунок появи витрат на ліквідацію наслідків викидів, але і значно знижуються темпи вуглевидобутку.

Значний внесок в дослідження питань пов'язаних з газодинамічною активністю вугільного масиву і в розробку способів запобігання ГДЯ внесли вчені наступних наукових організацій: ДонНДІ, Донецького національного технічного університету, ІГС ім. О.О. Скочинського, ІГТМ ім. М.С. Полякова НАН України, ІФГП НАН України, МакНДІ, Московського державного гірничого університету, Національного гірничого університету, Санкт-Петербурзького державного гірничого інституту (технічного університету), Східного науково-дослідного інституту, УкрНДМІ НАН України та ін.

Перший розділ роботи присвячений аналізу досліджень в області боротьби з газодинамічними явищами на крутих викидонебезпечних пластах ЦРД при їх відпрацюванні щитовими агрегатами. В розділі наведено аналіз способів виїмки крутих вугільних пластів, показано, що найбільш технологічним і безпечним способом є щитова виїмка. Також проведений аналіз результатів досліджень напружено-деформованого стану (НДС) привибійної частини крутих вугільних пластів, при відпрацюванні їх щитовими агрегатами. Відзначено, що найсприятливіша ситуація для виникнення раптових викидів, складається в кутковій частині лави (ділянка виїмкового поля, що примикає до сполучення щитового вибою з вентиляційним хідником) і на ділянках, схильних до впливу зон підвищеного гірського тиску (ПГТ), які формуються зазвичай в нижній частині відпрацьовуваної панелі через її не повну підробку. Показано, що направлена зміна фізико-механічних властивостей вугілля є передумовою для зміни НДС пласта, ступеня його викидонебезпечності, а також деяких технологічних аспектів виїмки (зокрема її інтенсивності).

Проведений кількісний аналіз газодинамічних явищ в щитових лавах крутих вугільних пластів ЦРД, з якого видно, що навіть при мінімальній кількості щитових вибоїв за весь період їх використання щорічно відбувається 3-6 газодинамічних явищ, а середня інтенсивність раптових викидів вугілля складає 123 т. Зростання кількості діючих щитових лав і збільшення глибини ведення робіт при існуючій практиці запобігання раптовим викидам вугілля і газу призведе до збільшення їх кількості.

Проведено аналіз існуючих регіональних способів запобігання раптовим викидам вугілля та газу, розглянуті їх переваги і недоліки. Встановлено, що, не дивлячись на значний накопичений досвід, способу запобігання раптовим викидам вугілля і газу в щитових лавах крутих викидонебезпечних пластів, який міг би бути застосований в будь-яких гірничо-геологічних умовах і забезпечував би при цьому повну надійність, не існує. Разом з тим, є хороші передумови використання завчасного зволоження вугільного пласта розчинами ПАР, як способу, що запобігає формуванню викидонебезпечної ситуації, та добре зарекомендував себе в комбайнових та молоткових лавах. Стримуючим чинником для його застосування є відсутність обгрунтованих параметрів способу для умов щитових лав.

Однією зі складових частин будь-якого способу запобігання ГДЯ є метод контролю ефективності його використання. У зв'язку з цим виконано аналіз існуючих методів контролю ефективності противикидних заходів. Зроблено висновок, що існуючі методи не враховують зниження ступеня впливу всього комплексу чинників, визначаючих викидонебезпечність (газ, напружений стан, фізико-механічні властивості). Облік цих чинників дозволить значно підвищити точність методу контролю ефективності противикидних заходів.

Ґрунтуючись на викладеному аналізі, зроблений висновок про необхідність розробки ефективних параметрів способу зволоження вугільного пласта при відпрацюванні його щитовими агрегатами з метою завчасного приведення вугільного пласта в безпечний стан, а також про необхідність розробки надійного методу контролю ефективності обробки вугілля водними розчинами ПАР.

Виходячи з викладеного, сформульована мета роботи та визначені задачі досліджень.

В другому розділі наведені результати дослідження напружено-деформованого стану вугільного пласта в привибійній частині щитової лави з урахуванням його газонасиченості і вологонасиченості на установці нерівнокомпонентного тривісного стиснення (УНТС), а також аналітичні дослідження розподілу напружень у вугільному масиві попереду щитового вибою.

Встановлено, що максимальний коефіцієнт концентрації напружень в зоні опорного тиску при роботі щитової лави, яка не має поряд відпрацьованих виїмкових полів на глибині 1000 м, змінюється від 1,3 до 2,0. Наявність поряд з відпрацьовуваною ділянкою раніше відпрацьованих збільшує концентрацію напружень у 2,1 - 2,4 рази. В зонах ПГТ відбувається приріст концентрації в 1,5-1,9 рази.

Базуючись на отриманих результатах, з метою встановлення впливу вмісту водо-метанового флюїду у вугіллі на його пружні та деформаційні характеристики була розроблена програма навантаження кубічних вугільних зразків з розміром ребер 5,5 см, за якою проведено експерименти, що моделювали НДС вугільного пласта в зоні опорного тиску від щитової лави на глибинах 1000 - 3000 м. Дослідження виконувались на зволожених і газонасичених зразках, виготовлених з вугілля пласта k3 ш. ім. Ф.Е. Дзержинського ДП «Дзержинськвугілля». Контроль за ступенем зволоження і газонасичення проводився за даними спектрів ЯМР (ГОСТ 11084-81).

За результатами навантаження вугільних зразків встановлено, що із вмістом адсорбованої вологи у вугіллі в середньому 0,7 % напружений стан змінюється з узагальненого стиснення на узагальнене розтягування, а при 1,8 % - з узагальненого стиснення на узагальнений зсув. Така величина адсорбованої вологи дозволяє не припуститися крихкому руйнуванню вугілля і запобігти раптовому викиду вугілля та газу.

Також встановлений вплив величини вмісту водо-метанового флюїду у вугіллі на механізм деформування вугільних зразків та на модуль спаду вугілля при розвантаженні (рис. 1). При зміні вмісту адсорбованої вологи в середньому з 0,7-1,8% - модуль спаду зменшується в середньому в 2,3 рази. Згідно з рисунком 1, області з різними механізмами деформування можна розділити двома лініями (лінії 1 і 2), які описуються рівняннями:

103, МПа; (1)

103, МПа, (2)

де М - модуль спаду вугілля, МПа, W - ваговий вміст вологи, кг/т; Q - ваговий вміст метану, кг/т.

Як свідчать раніше виконані в ІФГП НАН України дослідження, вид механізму руйнування вугілля при розвантаженні характеризує ступінь викидонебезпечності. Так, наприклад, при узагальненому зсуві раптові викиди не відбуваються. У зв'язку з цим модуль спаду і значення газоносності та вологості вугілля можна використовувати в якості показника викидонебезпечності.

В третьому розділі наведені результати дослідження параметрів кінетики десорбції метану з вугілля залежно від виду напруженого стану вугільного зразка.

Встановлена залежність зміни енергії активації виходу метану від виду напруженого стану при різному часі десорбції t = 50 хвил. і t = 250 хвил. (рис. 2).

Обґрунтовано критерій, що характеризує вид напруженого стану, в якому знаходиться вугільний пласт:

, (3)

де Еаt=50хвил., Еаt=250хвил.. - енергія активації десорбції метану з вугілля (після 50 та 250 хвилин десорбції відповідно).

Встановлено, що для пласта k3 ш. ім. Ф.Е. Дзержинського значення критерію КЕ ? 1,5 відповідають узагальненому стисненню, 1,8 ? КЕ ? 2,5 - узагальненому зсуву, а КЕ 3,0 - узагальненому розтягуванню. Таким чином, за допомогою даного критерію можна оцінювати зміну виду НДС при вибійної частини пласта після її гідрообробки. Для перевірки розробленого критерію були проведені дослідження енергії активації десорбції метану із зволоженої і не зволоженої ділянок щитової панелі по пласту k3 ш. ім. Ф.Е. Дзержинського. Зволоження проводилося в нижній частині щитової лави в інтервалі 90 - 120 м. Результати вимірювань у вигляді середнього значення початкової швидкості газовиділення () для кожного шпура і величини критерію (КЕ) в інтервалі 40 - 111 м по довжині повітряподавального хідника приведені на рисунку 3.

З отриманих даних видно, що величина критерію в зоні, яка була піддана зволоженню розчином ПАР, складає в середньому КЕ = 7,0, в перехідній зоні між зволоженою і незволоженою частинами щитової панелі не перевищує КЕ = 1,8, а в зоні, де противикидні заходи були відсутні, - КЕ = 1,16. Ефективність розробленого критерію підтверджують також виміри початкової швидкості газовиділення. Згідно з отриманими результатами (див. рис. 3) в зоні з високою швидкістю газовиділення, яка характеризує, з урахуванням перепадів її рівня від 0,6 л/хвил. до 1,8 л/хвил., наявність викидонебезпечної ситуації, величина розробленого критерію мінімальна. В той самий час, в зоні, яка була зволожена розчином ПАР, отримані мінімальні значення початкової швидкості газовиділення, що характеризують безпечний стан, при цьому критерій КЕ збільшився в середньому в 6,2 рази. Таким чином, встановлено, що за розробленим критерієм можна ефективно оцінювати ступінь впливу будь-яких противикидних заходів, пов'язаних з порушенням тріщинувато-пористої структури вугілля. На підставі отриманих результатів досліджень був розроблений метод контролю ефективності гідрообробки вугільного пласта.

В четвертому розділі, базуючись на результатах досліджень, наведених в попередніх розділах, розроблено параметри способу зволоження вугільного пласта для щитової лави та розглянуто результати їх промислової перевірки.

Розроблена віялова схема розташування нагнітальних свердловин (рис. 4), яка забезпечує найбільший ступінь зволоження для нижньої частини панелі, в якій найчастіше виникають зони ПГТ. Дана схема також припускає розміщення гирла свердловин у вміщуючих пласт породах, що дозволяє уникати висипань вугілля в частині, що герметизується, і дозволить свердловині увійти до вугільного пласта під кутом до нашарування, забезпечуючи більш рівномірний розподіл розчину ПАР у вугільному пласті за рахунок перетину свердловиною всіх його пачок, які нерідко мають різну проникність та являються елементом анізотропії пласта. При цьому довжина нагнітальної свердловини lс визначається за формулою

lс = lг + lф , м, (4)

де lг - глибина герметизації, величина якої повинна бути не меншою за 8 м; lф - довжина фільтруючої частини свердловин, величина якої при обробці панелі на всю висоту поверху, визначається за формулами:

- для першої свердловини, розташованої в кутковій частині панелі

, м, (5)

де Rоз - радіус обробленої зони, м; Нен - похила висота поверху, м; m - потужність вугільного пласта, м.

Рис. 4. Схема розміщення свердловин: 1 - вентиляційний штрек; 2 - вентиляційний хідник; 3 - очисний вибій; 4 - нагнітальні свердловини 5 - польовий відкотний штрек; 6 - промквершлаг 7 - контрольні свердловини; Нен - похила висота поверху Rоз - радіус обробленої зони; m - потужність пласта; - кут падіння пласта; , - кути нахилу свердловин; lс - довжина свердловини.

- для останньої свердловини, розташованої паралельно очисному вибою

, м, (6)

де Вп - ширина панелі, м;

для решти свердловин

, м, (7)

де z = + lг при = 060; z = + lг при = 6090; k0 - кількість свердловин (вибирається з умови повної обробки панелі) k0= 2(1,2,3…n-1).

Діаметр нагнітальної свердловини приймається 80 мм.

Тиск при нагнітанні розчину ПАР не повинен перевищувати

Р 0,75 Н, (8)

де - питома вага порід у вугленосній товщі, т/м3; Н - глибина залягання пласта в місці проведення виробки, м.

Об'єм водного розчину ПАР, необхідний для ефективної обробки пласта, визначається з умови усунення дефіциту вологи в поровому просторі вугілля за формулою

Q = в m Rоз (lс - lг) (Wн - Wпр kн, м3, 9

де в - питома вага вугілля, т/м3; Rоз - радіус обробленої зони, м; Wн - необхідна вологість вугілля, м3/т, визначається згідно з НАОП 1.1.30-5.06 Wпр - природна вологість вугілля, м3/т, визначається згідно з НАОП 1.1.30-5.06 методом ЯМР kн - коефіцієнт нерівномірності зволоження, kн = 1,2 - 1,3.

Апробація параметрів і технології способу запобігання раптовим викидам вугілля і газу була проведена в умовах шахти ім. Ф.Е. Дзержинського ДП «Дзержинськвугілля».

Ефективність апробованих параметрів гідрообробки була підтверджена результатами вимірів початкової швидкості газовиділення, вимірів вмісту адсорбованої вологи в привибійній частині пласта і показника газодинамічної активності, який являє собою відношення вагового вмісту метану до вагового вмісту фізично-зв'язаної вологи.

За наслідками роботи був розроблений нормативний документ СОУ 101.00171144.004-2004 «Запобігання раптовим викидам вугілля і газу в разі виймання крутих вугільних пластів щитовими агрегатами». Розрахунковий економічний ефект від впровадження даного способу складає 251 тис. грн./рік по одній щитовій лаві в умовах ш. ім. Ф.Е. Дзержинського.



ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій отримано нове рішення актуальної наукової задачі, що включає розробку ефективних параметрів способу зволоження водними розчинами ПАР крутих вугільних пластів, при їх відпрацюванні щитовими агрегатами з метою запобігання раптовим викидам вугілля і газу та методу контролю ефективності даного зволоження, що дає можливість підвищити безпеку ведення робіт, скоротити простої щитових лав, знизити собівартість 1 т вугілля і інтенсифікувати вуглевидобуток.

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

1. Способи запобігання раптовим викидам вугілля і газу, які застосовуються в даний час при відпрацюванні крутих вугільних пластів щитовими агрегатами, а також методи контролю їх ефективності не демонструють абсолютної надійності та є чинниками, які стримують інтенсифікацію процесу вуглевидобутку.

2. Максимальний коефіцієнт концентрації напружень в зоні опорного тиску при роботі щитової лави, яка не має поряд відпрацьованих виїмкових полів, змінюється від 1,3 до 2,0. Наявність поряд з відпрацьовуваною ділянкою раніше відпрацьованих збільшує концентрацію напружень у 2,1 - 2,4 рази. В зонах ПГТ відбувається приріст концентрації в 1,5-1,9 рази.

3. Встановлено, що в привибійній частині щитової лави із вмістом адсорбованої вологи у вугіллі в середньому 0,7 % напружений стан змінюється з узагальненого стиснення на узагальнене розтягування, а при 1,8 % - з узагальненого стиснення на узагальнений зсув.

4. Встановлено, що при збільшенні вмісту у вугіллі адсорбованої вологи в середньому від 0,7 до 1,8 % відбувається зменшення в 2,3 рази його модуля спаду при розвантаженні.

5. Встановлено, що енергія активації десорбції метану з вугілля істотним чином залежить від зміни виду напружено-деформованого стану привибійної частини вугільного пласта від узагальненого стиснення до узагальненого розтягування, яка забезпечує умови переходу закритих пор в тріщини.

6. Вперше встановлена можливість оцінки ступеня впливу водних розчинів ПАР на механізм руйнування вугілля за зміною енергії активації десорбції метану, що дозволило розробити метод контролю ефективності застосування способу запобігання раптовим викидам вугілля і газу.

7. Розроблені параметри способу запобігання раптовим викидам вугілля і газу при відпрацюванні крутих вугільних пластів щитовими агрегатами, які були апробовані на ш. ім. Ф.Е. Дзержинського ДП «Дзержинськвугілля».

8. За наслідками роботи був розроблений нормативний документ СОУ 101.00171144.004-2004 «Запобігання раптовим викидам вугілля і газу в разі виймання крутих вугільних пластів щитовими агрегатами».

9. Розрахунковий економічний ефект від впровадження способу запобігання раптовим викидам вугілля і газу складає 251 тис. грн./рік по одному щитовому вибою в умовах ш. ім. Ф.Е. Дзержинського ДП «Дзержинськвугілля».



ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ БУЛИ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Запобігання раптовим викидам вугілля і газу в разі виймання крутих вугільних пластів щитовими агрегатами: СОУ 101.00171144.004-2004. - [Чинний від 2004-06-30]. - К.: Мінпаливенерго України, 2004. - 14 с. - (Стандарт Мінпаливенерго України).

2. Алексеев А.Д. Метан в ископаемых углях / А.Д.Алексеев, Т.А. Василенко, Н.И. Волошина // Геотехническая механика: Межведомственный сборник научных трудов. Ин-т геотехнической механики НАН Украины. - 2003. - Вып. 42. - С. 186-198.

3. Стариков Г.П. Энергия активации диффузии метана - характеристика выбросоопасности и геомеханического состояния угольных пластов / Г.П. Стариков, Т.А. Василенко, Н.И. Волошина, З.Г. Пастернак // Физика и техника высоких давлений - Донецкий физико-технический институт НАН Украины, 2003. - №4. - С. 107-113.

4. Волошина Н.И. Оценка геомеханического состояния горного массива в окрестности щитовых лав / Н.И. Волошина, Д.М. Житленок, Е.И. Питаленко // Сборник научных трудов НГУ. - 2003. - Т.1, №17. - С. 61-65.

5. Волошина Н.И. Экспериментальная проверка параметров и технологии предотвращения выбросов при щитовой выемке / Н.И Волошина, Г.П. Стариков // Вісті Донецького гірничого інституту: Всеукраїнський науково-технічний журнал гірничого профілю - 2004. - №2. - С. 66-73.

6. Волошина Н.И. Предотвращение внезапных выбросов угля и газа при щитовой отработке крутых угольных пластов / Н.И. Волошина, Е.И. Кольчик, Г.П. Стариков // Физико-технические проблемы горного производства. - 2004. - С. 256-268.

7. Василенко Т.А. Скейлинговое представление процесса десорбции метана из природного сорбента / Т.А. Василенко, А.К. Кириллов, Я.В. Шажко, Н.И. Волошина // Физика и техника высоких давлений. - 2007. - Т. 17, №4. - С. 91 -99.

8. Волошина Н.И. Исследование влияния геомеханического состояния угольного массива на энергию активации десорбции метана / Н.И. Волошина // Вісті Донецького гірничого інституту: Всеукраїнський науково-технічний журнал гірничого профілю - 2008. - №2. - С. 197-201.

9. Волошина Н.И. Влияние поверхностно - активных веществ на деформационные и фильтрационные свойства угля / Н.И. Волошина, В.И. Чистоклетов // XIII ежегодная международная научная школа «Вибротехнология - 2003» по механической обработке дисперсных (сыпучих) материалов и сред им. академика Ф.Д. Овчаренко, 18 - 23 августа 2003г.: тезисы докл. - 2003. - С.167-169.

10. Алексеев А.Д. Управление состоянием угольного массива / А.Д. Алексеев, Д.М. Житленок, З.Г. Пастернак, Н.И. Волошина // Международный Энергетический Форум «МЭФ СНГ - 2003», 19-20 сентября 2003 г.: доклады «Уголь СНГ». - 2003. - С. 1-2.

11. Алексеев А.Д. Повышение эффективности механизированной добычи угля на крутых пластах / А.Д. Алексеев, Д.М. Житленок, Н.И. Волошина // Международный Энергетический Форум «МЭФ СНГ - 2004», 12-18 сент. 2004 г.: доклады «Уголь СНГ». - 2004. - С. 1-2.

Особистий внесок автора в роботи, опубліковані в співавторстві: [1] - розробка параметрів і технології способу запобігання раптовим викидам вугілля і газу для щитових лав, які розробляють круті викидонебезпечні вугільні пласти; [2, 7] - проведення і аналіз експериментальних досліджень коефіцієнта дифузії і енергії активації дифузійного процесу; [3] - розробка методики розрахунку коефіцієнта дифузії і енергії активації, а також експериментальне визначення цих величин; [4, 10] - дослідження напружено-деформованого стану зволоженого і незволоженого вугільного пласта; [5, 11] - обґрунтування параметрів і технології способу запобігання раптовим викидам вугілля і газу, аналіз результатів його апробації; [6] - лабораторні дослідження на УНТС механізму деформування вугілля, розробка способу запобігання раптовим викидам вугілля і газу і аналіз результатів його промислової апробації; [9] - дослідження впливу ПАР на деформаційні і фільтрації властивості вугілля.



АНОТАЦІЯ

Волошина Н.І. Обґрунтування параметрів способу запобігання раптовим викидам вугілля і газу при щитовій виїмці. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.09 - Геотехнічна і гірнича механіка. - Інститут фізики гірничих процесів НАН України, Донецьк, 2008.

Дисертація присвячена питанням запобігання раптовим викидам вугілля і газу в щитових лавах крутих вугільних пластів Центрального району Донбасу.

Встановлено, що збільшення кількості сорбованої вологи у вугіллі призводить до зменшення модуля спаду вугілля, що характеризує ступінь викидонебезпечності вугільного масиву. Обґрунтовані параметри способу запобігання раптовим викидам вугілля і газу при щитовій виїмці крутих вугільних пластів, що включає нагнітання у вугільний пласт водного розчину поверхнево-активних речовин. Встановлено, що зміна напружено-деформованого стану привибійної частини вугільного пласта від узагальненого стиснення до узагальненого розтягування призводить до зміни енергії активації десорбції метану і характеризує ступінь викидонебезпечності. Розроблено критерій оцінки ефективності противикидних заходів, заснований на зміні енергії активації десорбції метану з вугільного пласта. На основі виконаних досліджень розроблено нормативний документ «Запобігання раптовим викидам вугілля і газу при щитовій виїмці крутих вугільних пластів».

Ключові слова: шахта, щитовій вибій, раптовий викид вугілля і газу, водний розчин поверхнево-активних речовин, узагальнений зсув, модуль спаду вугілля, енергія активації десорбції метану, контроль ефективності гідрообробки.



АННОТАЦИЯ

Волошина Н.И. Обоснование параметров способа предотвращения внезапных выбросов угля и газа при щитовой выемке. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических технических наук по специальности 05.15.09 - Геотехническая и горная механика. - Институт физики горных процессов НАН Украины, Донецк, 2008.

Диссертация посвящена вопросам предотвращения внезапных выбросов угля и газа при щитовой выемке крутых угольных пластов Центрального района Донбасса.

В работе установлены закономерности деформирования угля в призабойной части щитовой лавы и закономерности влияния степени нарушенности трещиновато - пористой структуры угля на энергию активации десорбции метана. Доказано, что изменение количества содержания в угольном пласте сорбированной влаги влияет на изменение его напряженно-деформированного состояния от обобщенного сжатия до обобщенного сдвига. Установлена зависимость модуля спада угля от газонасыщенности и влагонасыщенности угля, которая позволяет устанавливать механизм разрушения угля при разгрузке и характеризует степень выбросоопасности.

Установлено, что смена вида напряженно-деформированного состояния призабойной части угольного пласта от обобщенного сжатия до обобщенного растяжения приводит к изменению энергии активации десорбции метана и является характеристикой степени выбросоопасности. На основании этого впервые разработан критерий оценки эффективности противовыбросных мероприятий, основанный на изменении энергии активации десорбции метана из угольного пласта. На базе установленных закономерностей разработан метод контроля эффективности гидрообработки угольного пласта растворами ПАВ.

По результатам работы разработаны параметры и технология способа обработки водными растворами поверхностно-активных веществ выбросоопасных угольных пластов, отрабатываемых щитовыми агрегатами. Разработаны параметры веерной схемы расположения нагнетательных скважин, позволяющие при необходимости вести обработку пласта в пределах всей панели и обеспечивающие эффективное устранение выбросоопасности, в том числе и в наиболее предрасположенных к этому зонах: кутковая часть угольного пласта и зоны ПГД, возникающие при неполной его подработке.

Использование разработанных параметров способа предотвращения внезапных выбросов угля и газа на шахтах позволит не допускать возникновения газодинамических явлений при ведении очистных работ в щитовых забоях, обеспечит безопасность ведения работ, снизит себестоимость добываемого угля и интенсифицирует процесс угледобычи. На базе выполненных исследований разработан нормативный документ «Предотвращение внезапных выбросов угля и газа при щитовой выемке крутых угольных пластов». Апробация способа производилась в условиях панели №10 пласта k3 горизонта 1026 м ш. им. Ф.Э. Дзержинского ДП «Дзержинскуголь». По результатам промышленных испытаний получена высокая надежность разработанных параметров способа. Установлено, что обработанные водным раствором ПАВ участки пласта были переведены в невыбросоопасное состояние. Расчетный экономических эффект от внедрения данного способа составляет 251 тыс. грн./год по одному щитовому забою в условиях шахты им. Ф.Э. Дзержинского ГП «Дзержинскуголь».

Ключевые слова: шахта, щитовой забой, внезапный выброс угля и газа, водный раствор поверхностно-активных веществ, обобщенный сдвиг, модуль спада угля, энергия активации десорбции метана, контроль эффективности гидрообработки.



ABSTRACT

Voloshina N. I. Validating parameters of the coal and gas sudden outburst prevention method in the case of the shield mining. - Manuscript.

Thesis for Candidate of Technical Sciences degree, specialty 05.15.09 - Geotechnical and mining mechanical engineering. - Institute for Physics of Mining Processes NAS Ukraine, Donetsk, 2008.

The thesis is devoted to issues of sudden coal and gas outburst prevention in the shield excavations in steep coal seams of the Central Region of Donets Coal Basin.

It is established that the increase in the total coal moisture causes the decrease in coal decay modulus, which is a breakdown characteristics of the coal massif. Parameters of sudden coal and gas outburst prevention methods based on surfactants aqueous solutions injection into a coal seam are substantiated for shield excavations in steep coal seams. It is determined that the outburst hazard is characterized by change from generalized compression to generalized tension in the deformation mode of coal seam in the vicinity of long wall, which results in changing the activation energy of methane desorption. A criterion is developed for estimating performance of the outburst preventive activity based on change in the activation energy of methane desorption from a coal seam. The regulation entitled `Sudden coal and gas outburst prevention in the shield excavations in steep coal seams' is prepared based on the performed studies.

Key words: coal mine, shield excavations, sudden coal and gas outbursts, surfactants aqueous solutions, generalized shear, coal decay modulus, activation energy of methane desorption, monitoring of water treatment performance.

Размещено на Allbest.ru

...