Принцип многостадийного воздействия

Наиболее эффективно многостадийное воздействие используется для заблаговременной подготовки и безопасной высокопроизводительной эксплуатации угольных пластов с высокой природной газоносностью и пылеобразующей способностью, склонных к выбросам угля и газа и самовозгоранию.

Основными направлениями развития угольной промышленности на период до 1990 г. являются техническое перевооружение предприятий на основе комплексной механизации и автоматизации процессов и повышение концентрации горных работ.

Однако концентрация и углубление горных работ неизбежно влекут за собой и интенсификацию некоторых явлений, сопутствующих угледобыче, которые не только усложняют и удорожают ведение горных работ, но и представляют опасность для жизни и здоровья работающих в угольных шахтах.

Наиболее опасными в процессе угледобычи являются метановыделение, пылеобразование, выбросы угля и газа и эндогенные пожары. Такая опасность возрастает по мере ускорения ведения работ в связи с применением механизированных комплексов, оборудованных узкозахватными выемочными машинами, которые способны обеспечить производительность до 5 т/мин в условиях разработки угольных пластов малой и средней мощности. Это позволяет даже при коэффициенте машинного времени, равном 0,3, достигать в условиях шахт с низкой газообильностью суточной производительности лавы от 800 до 2000 и более тонн.

Но в насыщенных газом шахтах максимальные нагрузки на очистной забой ограничиваются фактором метановыделения. Лимитирующее влияние последнего начинает сказываться уже при выемке угольных пластов с газоносностью 8-10 м³/т.

На современных глубинах разработки природная метаноносность угля составляет в среднем около 20 м³/т, а в отдельных случаях достигает 60-80 м³/т и более. Поэтому уже в настоящее время производительность выемочных машин лимитируется фактором метановыделения примерно в 30-50% очистных забоев даже при предельно допустимой скорости движения воздуха, которая в 2-4 раза превышает скорость, оптимальную с точки зрения снижения запыленности рудничной атмосферы.

Таким образом, интенсификация угледобычи приводит к необходимости увеличения скорости движения воздуха в горных выработках, что, в свою очередь, при прочих равных условиях влечет за собой повышение запыленности рудничной атмосферы и лишь частично устраняет ограничения производительности очистных забоев по газовому фактору.

С углублением горных работ увеличивается не только природная метаноносность угля, но и количество выбросоопасных и склонных к самовозгоранию угольных пластов. Известны случаи, когда при углублении отрабатываемых горизонтов на 100 м число пластов, опасных по выбросам угля и газа, возрастало в 2,2-2,4 раза, а коэффициент пожароопасное™ увеличивался примерно вдвое.

Дальнейшее осуществление горных работ требует разработки и внедрения эффективных способов борьбы с указанными явлениями при разработке угольных пластов. Решение этой проблемы приобретает особую актуальность в мировой практике в связи с ростом концентрации и интенсификации горных работ на базе создания высокомеханизированной и автоматизированной техники и неуклонным углублением горных работ.

В настоящее время разработаны и Внедрены несколько способов борьбы с главными опасностями в шахтах. Среди этих способов получили наибольшее распространение дегазация и увлажнение угольных пластов.

При дегазации по пласту угля (за зоной разгрузки, вызванной влиянием очистных работ) бурят скважины, расположенные параллельно очистному забою, диаметров 90 и более мм, длина которых на 15-20 м меньше высоты этажа (длины лавы). После окончания бурения скважин их устья герметизируют на глубину 5-10 м и подключают к вакуумному трубопроводу, по которому метан, извлеченный из пласта, поступает на дневную поверхность изолированно от шахтной атмосферы.

В шахтах, на газообильность которых существенное влияние оказывает метановыделение из смежных пластав, применяют различные способы их дегазации с использованием эффекта разгрузки от горного давления. Дегазацию осуществляют через скважины, пробуренные из подготовительных выработок разрабатываемого горизонта по вмещающим породам.

Дегазация снижает выделение метана при отработке обработанного участка угольного пласта (вследствие уменьшения газоносности угля) и выбросоопасность дегазированной зоны - путем снижения газового давления.

Однако этот способ воздействия на угольный пласт не оказывает влияния на пылеобразование при выемке угля и способствует повышению пожароопасное™ пластов, так как дегазация угля приводит к повышению его химической активности.

Известен способ увлажнения разрабатываемых угольных пластов, из скважин, пробуренных вне зоны влияния горных работ.

Увлажнение является одним из способов борьбы с главными опасностями в шахтах, так как приводит к снижению:

метановыделения из разрабатываемого угольного пласта вследствие оттеснения и замещения метана в сорбционном объеме угля, а также вследствие снижения фазовой проницаемости угля для газа;

пылеобразования при отбойке и транспортировке угля вследствие агрегирования угольных частиц и снижения способности пыли к витанию;

выбросоопасности угольных пластов вследствие снижения упругой энергии пласта и газа при повышении его влажности и уменьшении пластового давления;

склонности угля к самовозгоранию вследствие уменьшения пластовой проницаемости пласта для газа, что препятствует проникновению кислорода и увеличивает способность увлажненного угольного массива рассеивать тепло.

Однако недостаточно высокая техническая эффективность дегазации и увлажнения угольных пластов уже на современных глубинах разработки не позволяет до конца решить проблему создания безопасных условий для высокопроизводительного труда в угольных шахтах.

Эффективность опережающей и совместной дегазации пласта восстающими скважинами составляет 20-40%.

Эффективность дегазации смежных разгруженных пластов составляет 35-40%.

Известны попытки совершенствования способа увлажнения угольных пластов для снижения метановыделения и пылеобразования в очистных забоях.

путем изыскания поверхностно-активных веществ, незначительные добавки которых к воде существенно повысили бы ее смачивающую способность;

путем изыскания растворов, способных переходить в гелеобразное состояние после нагнетания их в угольный пласт.

Но и в данных случаях эффективность предварительного увлажнения удавалось повысить лишь на 10-15%.

Однако, в результате применения каждого из этих способов, даже при максимальной их эффективности, равной 40%, природную метаноносность, например, в 20 м³/т можно снизить лишь до 12 м³/т. Это не устраняет лимитирующего влияния газа на. производительность очистных забоев.

Практика применения предварительного увлажнения показала, что при выемке обработанных участков угольного пласта запыленность рудничной атмосферы в очистных забоях значительно превышает допустимые санитарно-гигиенические условия работы.

Увлажнение не оправдывает себя как способ борьбы с эндогенными, пожарами. Поглощение кислорода, снизившееся после нагнетания в пласт воды, с течением времени может не только восстанавливаться до исходной величины, но и превзойти ее.

Это происходит вследствие увеличения общей и фазовой проницаемости при осушении и дегазации пласта.

Практика гидравлического воздействия на угленосную толщу показала, что эти способы исчерпали свои возможности, и для дальнейшего технического прогресса в угольной промышленности необходима разработка новых, более эффективных способов борьбы с упомянутыми опасностями в шахтах.

Авторами разработан способ гидравлического воздействия на угольный пласт с целью снижения газовыделения и пылеобразования в горных выработках. В зависимости от горно-геологических условий внедрение жидкости в пласт осуществляют в режимах фильтрации, гидрорасчленения и гидроразмыва.

По окончании процесса нагнетания поданная в угольный пласт жидкость продвигается в массиве угля под воздействием физико-химических сил, повышая качество обработки угольного пласта. Свободногравитационную (остаточную) часть рабочей жидкости оттесняют из фильтрующих пор и трещин путем закачки воздуха, что способствует ускорению дегазации пласта.

Сохранение трещин в угольном пласте в раскрытом виде обеспечивают путем закрепления их проницаемым безусадочным материалом. В процессе фильтрации и гидрорасчленения угольного пласта в качестве жидкостей применяют воду или воду с добавками поверхностно-активных веществ, а при воздействии в режиме гидроразмыва - жидкость с повышенной химической активностью.

Авторами разработаны способы пневматического и акустического воздействий, а также внутрипластового взрыва, предусматривающие нагнетание воздуха, газа, газовых смесей.

Также авторами разработан способ микробиологического воздействия на угольный пласт, предусматривающий нагнетание биологически активной суспензии в режиме фильтрации с целью борьбы с газовыделением.

Это воздействие приводит к нарушению равновесия в системе метан - уголь вследствие вытеснения свободного метана из пористого объема, что, в свою очередь, вызывает частичную его десорбцию. Молекулы газа разрушаются бактериями, окисляющими метан. Необходимым условием обеспечения жизнедеятельности этих бактерий является обеспечение бактерий молекулярным кислородом. Это достигается в результате пневматической обработки угольного массива в режиме фильтрации после увлажнения угольного пласта суспензией. В результате происходит снижение химической активности угля при его контакте с кислородом воздуха.

Предложен и способ теплового воздействия, предусматривающий нагнетание теплоносителя. Его расчетная величина зависит от требуемого снижения газоносности угольного пласта.

Известен способ физико-химического воздействия на угольный пласт, предусматривающий использование растворов органических и неорганических соединений, близких по своей природе к природе угля и обладающих способностью к изменению фазового состояния (переход из жидкого в твердое состояние) непосредственно в пористой структуре угля. Сущность его заключается в следующем. Предварительно готовят раствор мономера или полимера, способный при наличии катализатора в заданное время переходить из жидкого состояния в твердое.

Во время нагнетания раствора в пласт угля происходит нарушение равновесия в системе метан - уголь путем вытеснения свободного метана, частичной его десорбции и адсорбции нагнетаемого раствора на поверхности угля. После насыщения обрабатываемой зоны угольного пласта раствор твердеет, перекрывая устья микропор и заполняя объем макропор и трещин твердым безусадочным продуктом низкой газопроницаемости. В это время развивается адгезионная связь, удерживающая твердый продукт в занимаемом объеме. Фазовый переход сопровождается сшивкой (группировкой) молекул с включением в твердый продукт свободного метана и угольной пыли как наполнителей. Твердый продукт блокирует основной сорбционный объем метана и все фильтрационные пути, а адгезионные силы агрегируют угольную пыль, следствием чего является уменьшение газовыделения и пылеобразования при разрушении угольного пласта.

Изоляция отдельных блоков угля и заполнение пластовых трещин и пустот твердым безусадочным продуктом низкой газопроницаемости исключают переток газа с периферии в обработанную зону, придают угольному пласту свойство равнопрочности и способствуют снижению его выбросоопасности и уменьшению вероятности возникновения эндогенных пожаров даже при длительном контакте угля с воздухом.

Выполненные исследования показали, что найденные авторами способы воздействия на угольный пласт обеспечивают направленное необратимое изменение таких свойств угольного пласта, влияющих на безопасность труда при его разработке, которые при традиционных способах либо не изменялись вообще, либо изменялись в меньшей степени.

Для обеспечения раскрытия всех систем трещин с различной проводимостью подачу жидкости в скважину осуществляют порциями по числу систем природных трещин. При подаче первой порции для раскрытия наиболее проводимой системы трещин используют маловязкую жидкость - воду с добавками поверхностно-активных веществ. Для раскрытия второй системы трещин, используют жидкость с повышенной вязкостью, обычно 2-5% - ный водный раствор крахмал.

Следующие системы трещин раскрывают путем последовательного чередования закачек порций воды с добавками поверхностно-активных веществ и 2-5% - ного водного раствора крахмала до достижения расчетного объема нагнетания.

В качестве более вязкой жидкости, кроме 2-5% - ного раствора крахмала, могут быть использованы: 2-3% - ный раствор карбоксилметилцеллюлозы; 5-7% - ный раствор карбозолина; 5- 10% - ный раствор сульфитспиртовой барды; 20-40% - ный раствор целлюлозного щелока; 2-3% - ный раствор гликолевого эфира целлюлозного.

По окончании процесса гидрорасчленения в угольный пласт подают сжатый воздух в количестве, соответствующем количеству поданной в угольный пласт жидкости, и выдерживают скважину под давлением в течение трех и более месяцев.

Указанную операцию осуществляют для обеспечения продвигания жидкости в сорбционный объем пласта угля и поддержания высокого пластового давления.

Затем приступают к освоению скважины с целью дегазации угольного пласта через систему раскрытых трещин и фильтрующих пор, ориентированную к скважине. Для этого одним из следующих приемов: откачкой штанговыми или погружными насосами, откачкой эрлифтом, поршневанием по колонне обсадных или насосно-компрессорных труб - удаляют воду из фильтрующего объема угольного пласта и из скважины. Дебит газа из скважины постепенно нарастает в течение 1,5-2,0 месяцев, и при достижении величины около 1500-1800 м³/сут в перерасчете на 100%-ный метан при эксплуатации одиночного угольного пласта происходит постепенный спад его по экспоненциальной зависимости. Поддержание дебита на высоком уровне осуществляют вакуумированием скважин в течение от 1 года до 3 лет.

Проведение гидрорасчленения и вакуумирования угольного пласта через скважину обеспечивает:

увеличение радиуса гидравлического влияния скважины до-100-150 м;

увеличение проницаемости угольного пласта в 100 и более раз;

снижение запасов упругой потенциальной энергии угольного пласта и вмещающих пород;

изменение характера разрушения угля в направлении увеличения пластичности;

смачивание материнской пыли (пылевых частиц, заполняющих природные трещины).

При пересечении скважиной нескольких газоносных угольных пластов операции по гидрорасчленению осуществляют из одной и той же скважины для каждого из угольных пластов в направлении снизу вверх. Операции по освоению и эксплуатации скважины выполняют аналогично вышеописанному после окончания гидрорасчленения всех пластов.

С целью дальнейшей дегазации и большей равномерности обработки угольного пласта после вакуумирования скважины осуществляют нагнетание в нее по насосно-компрессорным трубам 7 порций объемом 25-30 м³ 20-25%-ного раствора ингибированной соляной кислоты, нагретой до 50-60° С. При этом по затрубному пространству постоянно подают воду в количестве, обеспечивающем разбавление раствора соляной кислоты в пласте угля до 2-4 объемных процентов.

Аналогичным образом в пласт угля может быть подан как нагретый, так и не нагретый водный раствор, содержащий от 0,5 до 10 объемных процентов соляной кислоты. В период между подачей отдельных порций кислоты в пласт угля закачивают только воду в количестве не менее 10-кратного объема скважины.

При нагнетании раствора соляной кислоты в угольный пласт происходит растворение содержащихся в нем карбонатов. После окончания солянокислотной обработки пласта скважину выдерживают под давлением в течение одного-трех месяцев для более полного растворения карбонатов. Затем скважину открывают, удаляют продукты реакции, нагнетают в нее пар и одним из ранее описанных приемов удаляют жидкость и конденсат из фильтрующих пор, трещин и из скважины. Затем скважину вакуумируют и удаляют из нее метан.

Кроме соляной кислоты могут быть использованы водный раствор плавиковой кислоты, а для растворения органической части угля водные растворы антраценового масла или пиридина. Нагнетание последних может быть осуществлено и при проведении гидрорасчленения в условиях повышенного горного давления.

Могут также использоваться газ и газовая смесь (акустическое воздействие, внутрипластовый взрыв).

Осуществление следующей стадии воздействия обработки угольного пласта способствует повышению степени его дегазации, так как в этом случае дегазация начинается не с уровня высокого газосодержания, а с более низкого уровня, достигнутого в результате осуществления предыдущей стадии воздействия. Использование кислоты или других силовых носителей на первой стадии нецелесообразно, эффект гидрорасчленения достигается применением более дешевой механической энергии, а химическая, пневматическая, акустическая энергия внутрипластового взрыва позволяет решить следующую задачу - углубление дегазации. Общая продолжительность следующей стадии воздействия, включая вакуумную дегазацию, составляет 4-6 месяцев. Извлечение газа из пласта угля приводит к падению пластового давления, что влечет за собой снижение темпов дегазации, возможности которой по истечении указанного срока по существу оказываются исчерпанными.

С целью дальнейшего снижения газоносности угля осуществляют следующую стадию обработки - микробиологическое воздействие на пласт, при котором часть метана переводится в неопасные соединения непосредственно в угольном массиве с помощью метан-окисляющих бактерий.

Через ту же скважину в угольный пласт закачивают активные штаммы этого вида бактерий (например, Methylosinus trichospo-rium, Methylococcus capsulatus sp. и др.) вместе с питательной средой. Объем подачи бактериальной суспензии принимают из расчета не менее 20 л на одну тонну угля в массиве при концентрации бактерий 10⁶-10⁹ клеток на миллилитр. В качестве питательной среды используют воду с добавками солей калия, магния, натрия, фосфора, азотных соединений, биостимуляторов. После окончания нагнетания бактериальной суспензии в угольный пласт для обеспечения жизнедеятельности бактерий подают сжатый воздух в количестве не менее пяти объемов на один потребляемый объем метана. Жизнедеятельность бактерий поддерживают в течение всего времени перевода метана бактериями в неопасные соединения (2 - 3 месяца).

При отсутствии возможности культивирования в шахтных условиях чистых (моно) культур бактерий, применяют суспензию, приготовленную из пасты, содержащей бактерии, окисляющие метан, разбавленной водой до концентраций бактерий 10⁸-10⁹ клеток на миллилитр.

Подачу суспензии из бактерий и сжатого воздуха в угольный пласт могут осуществлять поочередно. Продолжительность каждого цикла выбирают в зависимости от рода бактерий и бактериальной пасты от 7-8 часов до 5-6 суток. Количество сжатого воздуха, подаваемого в угольный пласт на один потребляемый объем метана, находится в пропорции 5:1.

Воздух могут подавать в пласт угля также одновременно с нагнетанием суспензии, содержащей метанокисляющие бактерии, и питательную среду. Количество воздуха составляет не менее 200 литров на одну тонну обрабатываемого угля. При отсутствии компрессоров в пласт угля могут подавать предварительно аэрированную суспензию.

Проведение микробиологической обработки угольного пласта приводит к дальнейшему снижению уровня содержания метана в массиве угля и пластового давления. Введение воды в пласт еще более увеличивает способность пласта к пластическому деформированию и снижает пылеобразование.

Введение бактерий в угольный пласт на более ранних стадиях воздействия оказалось бы преждевременным по крайней мере по двум причинам.

Во-первых, начальное снижение газоносности угольного пласта можно достичь путем применения механической, акустической, химической и др. энергий (более дешевых по сравнению с биохимической).

Во-вторых, увеличение пористости и проницаемости угольного пласта в результате его гидрорасчленения и кислотной обработки расширяет область применения микробиологического воздействия (практически устраняя ограничения по фильтрационным параметрам пласта) и способствует повышению его эффективности.

С целью дальнейшего снижения выделения метана из угольного пласта, возможного в процессе его выемки, осуществляют стадии теплового и физико-химического воздействий на угольный пласт. При физико-химическом воздействии остатки газа блокируют в микропорах пласта угля путем нагнетания в него через скважину растворов, способных переходить в пластовых условиях в твердое состояние. При этом часть газа и пыли, находящаяся в макропорах и трещинах, включается в структуру вновь образованного твердого продукта.

В качестве растворов с указанными свойствами применяют водный раствор мочевиноформальдегидной смолы не ниже 24%-ной концентрации. В качестве катализаторов применяют хлористый аммоний. Количество катализатора определяют перед нагнетанием в зависимости от качества смолы и необходимого времени отверждения раствора в пласте угля при условии его высококачественного насыщения. Удельный объем подачи раствора смолы составляет не менее 20 литров на одну тонну угля в массиве. Общая продолжительность физико-химического воздействия около одного-двух месяцев.

Вместо мочевиноформальдегидной смолы (полимера) применяют также водные растворы, по крайней мере, одного из группы мономеров: акриламида с добавками персульфата калия или гидросульфата натрия при концентрации раствора и содержании в нем катализатора, обеспечивающих переход раствора в твердое состояние не менее чем через 2—3 недели после подачи раствора в угольный пласт. В качестве катализаторов могут быть использованы также хлористый аммоний, соляная или щавелевая кислота.

Применение физико-химического воздействия приводит к существенному снижению газовыделения в горные выработки, к снижению пылеобразования, а также предотвращает проникновение в угольный пласт кислорода воздуха и тем самым возникновение подземных пожаров.

Ликвидация дефектов в структуре угольного пласта способствует созданию равнопрочности в массиве и препятствует развитию локальных концентраций напряжений в массиве.

По окончании процессов изменения фазового состояния растворов воздействие на пласт угля считают завершенным.

Более высокая эффективность предлагаемого способа борьбы с главными опасностями в шахтах по сравнению с отдельными способами достигается тем, что результаты процессов каждой предыдущей стадии способствуют повышению эффективности последующей, а каждое последующее воздействие увеличивает результаты суммарного влияния предыдущих.

Предложенный принцип многостадийного воздействия может быть также осуществлен через переоборудованные геологоразведочные скважины, выполнившие свои функции, что существенно снижает капитальные затраты.

Таким образом, разработанные теории внутрипластового взрыва, гидравлического, пневматического, акустического, микробиологического, теплового, физико-химического и многостадийного воздействий на пласт позволили выполнить проекты и осуществить впервые в мировой практике широкие лабораторные и производственные эксперименты, промышленные испытания и внедрение процессов.

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: