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.

Они проводились в двух направлениях:

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 пластового давления газа;

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 вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

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