автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Обоснование и реализации способа упрочнения полимерными композициями угольных обнажений в подготовительных выработках крутых пластов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КАЛФАКЧИЯН Александр Павлович

ОБОСНОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ СПОСОБА УПРОЧНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫМИ композициями УГОЛЬНЫХ ОБНАЖЕНИЙ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ КРУТЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 05.26.01 — «Охрана труда и пожарная безопасность»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада

ДОНЕЦК - 1992

Работа выполнена на шахтах производственных объединенш по добыче угля «Артемуголь» и «Дзержинскуголь».

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф Болыиинский М. И.; канд. техн. наук Левченко В. И.

Ведущая организация — Донецкий научно-исследова тельский угольный институт, ДонУГИ.

Защита диссертации состоится «. /А ».......................... 199 3 г

в ................ часов на заседании специализированного совет;

Д.068.20.02 при Донецком ордена Трудового Красного Знамеш политехническом институте по адресу: 340000, г. Донецк, ул. Ар тема, 58.

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомить« в библиотеке института.

Автореферат разослан «...г.г....» ............Тгг.................... 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета проф., д. т. н. В. И. ЧЕРНЯЕ1

О;':!!'.' .■

'у ДА г'»: :>,: .

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация в форме научного доклада выполнена автором на основе исследований, опубликованных в 1984-1992г.г.

Актуальность^боты. Центральный район Донбасса (ЦРД) характеризуется весьма сложными условиями разработки угольных пластов:

р

большая глубина ведения горных работ, как правило, более 1000м; промышленные запасы представлены весьм? тонкими, тонкими, часто многопачечными крутыми пластами; выбросоопасность и склонность пластов к обрушениям, обусловленная структурно-текстурными особенностями залегания, приведшими к тому, что число внезапных обрушений угля на шахтах Центрального района примерно в 4 раза превыша-

с

ет количество внезапных выбросов угля газа.

Для предотвращения внезапных выбросов на шахтах применяют в основном гидрорыхление угольных пластов. В условиях отработки крутых пластов применение его способствует обрушениям пород кровли, сползанию пород почвы пласта. В качестве мероприятий, направленных на обеспечение безопасной отработки пластов, склонных к обрушениям, традиционно применяют следующие:

- однорядную, двухрядную и даже иногда трехрядную органную <репь, устанавливаемую под -ависаюшим угольным обнажением по мере зыемки угля;

- технологические пазы глубиной до 3 м,> в которые заводятся заспилы толщиной не менее 40 мм, с неснижаемым опережением не мете 0,5 м;

- кольевую крепь ;з распилов, устанавливаемую вслед за выеы-юй угля, и с последующей установкой однорядной или двухрядной ф-анной крепи;

- забивную крепь из клиньев, устанавливаемую вслед за выемкой тля, и с последующей установкой двухрядной органной крепи под на-исаюпшм массивом.

Применяемые традиционные способы предотвращения обрушений угля, как показала практика, на больших глубинах недостаточно аффективны.^

В шестидесятые-се-мдесягке годы в горной науке и практике на метилось новое направление создания способов предотвращения обру шений угля (повышения устойчивости угольных обнажений)-с помощью нагнетания в поизабойную часть угольных пластов полимерных кошо зиций. Теоретические основы и рекомендации полимерного укиеплени угольного массива содержатся в работах докторов технических наук . В.В.Васильева, Ю.Ф.Васючкова, Э.и.Москаленко; кандидатов техничв ких наук В.Е.Каш, А.Г.Егорова. В.В.Качака, В.П.Качкоиа, В.И.Лев ченко. А.11.Мусина и др. Для успешного практического применения н учно обоснованных разработок нового направления в специфичных ус ловиях шахт ЦРД возникла необходимость решения следующих вопоосо

- исследовать зависимость удельного насыщения призабой.чой ча ти угольного пласта полимерными растворами от расстояния до нагн тагельной скважины;

- разработать методику определения радиуса зФлективного нагн тания полимерного раствора /£ .^-области призабойной части угол ного пласта, в которой происходит необходимое упрочнение угольно массива;

- установить изменение прочностных свойств угольного пласта его пачек в призабойной части, происходящее в результате нагнэта полимерных растворов (при физико-химическом воздействии на пласт

- разработать для условий шахт ЦРД, в тем числе V с учетом г логических нарушений типовые схемы эшожения екзааин, черзз кото рые нагнетаются полимерные растворы;

- осуществить промышленные испытания способа и технологическ схемы физико-химического воздействия (ЙХВ) на призабойную часть

юта для повышения устойчивости угольных обнажений в подготови-аьных выработках крутых пластов.

Ц§5ьп_£аботы является обоснование способа и технологической вмы упрочнения угольных обнажений "а счет нагнетания полимер- ' « растворов для предотвшшения обрушений угля и уменьшения склон-стй его к внезапным выбросам в подготовительных выработках кру-к пластов.

И£ея_2абоху заключается в увеличении полимерными композициями очности обнажений (нависавшей краевой части угольного массива), разувшихся вследствие проведения подготовительной выработки.

Мето^^исслезования^ Использован комплексный метод, включаю-й анализ опыта разработки крутых пластов: лабораторные и тахт- 0 е эксперименты: обработку результатов измерений методами матема-ческой статистики; промышленные испытания и внедрр"ие способа, репеление его экономической эффективности.

Основные_научще_положенияА_выносит их новизна.

Зависимость удельного насыщения призабойной части угольнсго аста полимерными растворами от расстояния до нагнетательной сква-ны, позволяющая оценивать степень физико-химического воздействия пласт.

2.Методика определения радиуса 4ффективного влияния нагнетая полимерных растворов, позволяющая устанавливать область упрочнил угольных обнажений в подготовительных выработках крутых астов, достаточного для предотвращения обрушений и уменьшении лонности к внезапным вь"росам угля и газа.

3.Зависимость прочности и энергоемкости разрушения угля от 1ельн го насыщения его полимерными растворами.

4.Особенность изменения прочности различных пачек крутого [аста при нагнетании в них полимерных растворов, заключагицаяся в

наибольшем упрочнении более нарушенных пачек и в достижении приблизительной равнопрочности всех угольных пачек пласта.

0боснованность_и^5остдве£)нос^

рчкомещаций_подтвв2*2ается2

- проведением лабораторных и натурных (шахтных) экспериментальных исследований и анализом результатов измерений с применением методов математической статистики, позволившими подтвердить высокую надежность установленных корреляционных зависимостей (корреляционные отношения не менее 0,830, коэффициенты надежности не менее 3,5);

- удовлетьорителыюй сходимостью расчетных и фактически измеренных величин: в частности, по содержанию полимера на различных расстояниях от нагнетательной скьакины различие не превысило 16%; погрешность между темпом нагнетания заданным в автоматизированной технологии и фактическим составила + 10%; по удельному насыщению раствора в автоматизированной технологии не более 20? и т.п.;

- полоиптелькыми результатами промышленных испытаний и внедрения физию-хиыического способа повышения устойчивости угольных обнажений в подготовительных выработках шахт ЦРД, подтвержденными как отсутствием обрушений в зонах ФХВ, так и расчетами экономической эффективности способа.

У§ШЩ2_2йаченир работы заключается в том,что зависимость удел! ного насыщения призабойной части угольного пласта полимерными растворами от расстояния до нагнетательной скважины; методика определения радиуса эффективного влияния нагнетания полимерных растворов; зависимость прочности, энергоемкости разрушения угля от удельного насыщения его полимерными растворами и зависимость изменения прочности отдельных пачек пласта от степени их нарушенное™, приводящей к достижении равнопрочности пачек, получены для крутых пластов

условиях ЦРД впервые. Они явились И'ходной научно-методической зой для обоснования параметров и технологии физико-химического действия на пласт.

П£актическое_значение_Е§боты состоит в разработке способг по-педия устойчивости угольных обнажений в подготовительных выра-гках крутых пластов, основанного на применении полимерных компо-р1й и позволяющего предотвращать обрушениг. угля, уменьшать склон-:ть его к внезапным выбросам. Он включ-ет параметры и средства шко-химического воздействия на пласт, типовые схемы заложения ¡ажин для нагнетания растворов и технологию применения способа.

Реализация_выводов_и_2екомещаций;._ Разработанный способ и технические схемы физико-химического упрочнения призабойной части »льного пласта внедрены на шахтах ЦРД. Экономический эффект I внедрении способа только на шахтах ПО Дзевжинскуголь за певи-и в ценах 1985-1991г.г. составил около 3 млн.руб.

Основные положения и отдельные результаты шадывались, обстнпались и были одобрены на научно-технических ютах производственных объединений Артемуголь и Дзержинскуголь. 1ных советах Ш1, ЛонУГИ, ДЛИ. "Автоматизированная технологичес-[ схема воздействия на опасные по выбросам и высыпаниям пласты [имерными соединениями" экспонировалась в 1988 г. на ВЛНХ СССР.

П^бликациил По теме диссертации опубликована монография и 5 ней.

Автор благодарит проф., к.т.н. Александрова С.Н. за= консуль-'ивную помощь при подготовке диссертации в форме научного док-;а, а также всех работников шахт и объединений Артемуголь и тжиьскуголь, вместе с которыми проводились шах.ные экспериг эн-промыпленные испытания и внедрение физико-химического способа 1ышения устойчивости обнажений'подготовительных выработок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ^Научные основы способа повышения устойчивости угольных обнажений в подготовитр.льных выработках крутых пластов.

При выполнении раб ты были изучены структурно-текстурные, тектонические особенности пластов ЦРД и установлено, что хотя прочность угля и пород в образцах примерно такая же, как и в других геолого-промышденных районах Донбасса, но из-за развитой трепшно-ватости и рассдоенности, сформировавшейся при складкообразовании и последующих тектонических процессах, устойчивость обнажений в выработках крутых пластов становится пониженной /I/. Особенно осложняется ведение горных работ при певеходе нарушенных, тектоничос ки псепашрованных зон. в том число и выбросоопасных пластов /3/. Согласно "Инструкции по безопасному ведению гоокых работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа" (1989г.), являющейся приложением к разделу 5 главы II "Правил безопасности в

угольных и сланцевых шахтах", внезапные выбросы угля и газа и об-

1/

рушения (высыпания) угля с попутным газовыделением относятся к газодинамическим явлениям (ГДЯ). Это нормативное положение и определило выбор способа фиаико-химического воздействия на угольный пласт как научной основы предотвращения обрушений угля и уменьшения склонности пластов к внезапным выбросам угля и газа /3,4,5,£ Характер движения раствора в угольном пласте при ФХВ соответствует движению жидкости в трещиновато-пористой среде. Наиболее общий случай движения жидкости в ней описывается системой уравнений, которая позволяет рассчитать количество жидкости, находящейся в единице объема фильтрующей среди, с учетом времени и разности давления жидкости в трещинах и блоках. Точное аналитическое решение уравнений сопряжено со значительными математическими трудностями. Приближенное аналитическое решение для величины удельногс

юьпдения угля М/ полимерным раствором (возникающая погрешность составляет 3-5%) описывается /6/ выражением _ 2

IV - (- £ 1 у Г ),

(I)

где 1У0- величина предельного насыщения, 'м3/м3;

' /у - коэффициент, характеризующий скорость пропитки блоков жидкостью, 1/Шас); ^ - скорость внедрения полимерного раствора в трешиновато-

пористую среду, м/с; Рс - давление в скважине, Ша;

/£. - расстояние до нагнетательной скважины, м. Графики зависимости величины удельного насыщения угля пласта Толстый шахта

имени Калинина ПО Артемуголь (А №/ ,%) от расстояния до нагнета-

■¡р

тельной скважины , м,построенные в соответствии с (I), представлены на рис.1. При построении графиков использовали характе-

г п

ристики, полученные для пласта Толстый : & = 0,5 10 *\1./(Пй-с ), => 3 ИГ2 м/с, \А/р = 2 мэ/м3.

На их основании можно определить размеры области угольного пласта, в которой величина удельного насыщения не менее уровня, требуемого для предотвращения обрушений крутого пласта и уыень-пения склонности его к внезапным выбросам угля и газа {Лэр^з/р?») * т.е. при условии выполнения соотношения:

А г ^ Мо, 12)

где Ат - требуемый уровень удельного насыщения, «»3/м3.

Радиус эффективного влияния скважины, определяетеч с учетом (2) по формуле: _

где - проницаемость угольного пласта, м^.

ч

2.Экспериментальные исследования влияния физико-химического здействия на прочностные свойства углей

Для оценки эффективности применения полимерных композиций для рочнения угольных обнажений в подготовительных выработках иссле-вали влияние на прочность и энергоемкость разрушения ,угля степе-насыщения его полимерами и времени их отверждения. Эксперименты проведены в лабораторных и шахтных условиях. Из-за знь больших сложностей изготовления из угля образцов правильной рмы, необходимых для определения по стандартной методике временно сопротивления сжатию, лабораторные испытания провели на образ: - брикетах /6/. Для изготовления брикетов при прессовании ис-

о

[ьзовалась угольная мелочь класса 2-5 мм -ыбросоопасных пластов.

Энергоемкость разрушения рассчитывалась по результатам опреде-шя предела прочности на сжатие как площадь под кривой (прямой) •рузка - деформация.

Время отверждения изменялось от 3 до ¿20 ч, концентрация политых композиций от 18 до 455С. Они представляют собой раствор ло-шно-формальдегидной смолы типа КМ-2 или КМ-3 или их химических логов и отвердителя - щавелевой или соляной кислоты, хлорного еза и др./2,3,6/. Результаты экспериментов показали, что обработка образцов-бри-ов полимерным раствором повышает их временное сопротивление сжа-| практически от нуля до 4 Ша. Влияние на рост прочности и энер-мкости разрушения концентрации полимерного раствора и времени отверждения сушественг^различны. Изменение концентрации лриво-к большему упрочнению, чем периода его отверждения. Так пои личгчии концентрации с 1В до 36% энепгоемкость разрушения увели-ась более чем в 4 раза, а всемени отверждения с 3-4 до 80 ч-на ее чем в 2 раза.

Результаты лаборатооных экспериментов в методическом плане юассматрМались как предваоительные, являющиеся исходными для проведения опытов в шахтных условиях.

Анализ их результатов привел к заключению, что максимальное значение прочности достигается пш удельном насьщянии полимепным саствопом примерно 20 л/т. В среднем временное сопротивление сжатию обоазцов угля (. О сх ). обработанных полимерным раствором, уве личилось по сравнению г. нэобоаботанными в 1,5 раза. Максимальная энергоемкость сазоуцения достигается при удельном насыщении полимерным раствором примерно 25 л/т. В среднем по сравнению с необработанными образцами угля энергоемкость разрушения увеличилась в 2 раза. Значения прочности не изменяются более чел ва 20$ в интервале 15-33 л/т. Это позволило принять величину удельного насыщения угля полимерным раствором 15-30 л/г и приступить к выполнению экспешментов в шахтных условиях.

Эксперименты выполнены на пластах т~ Грицынка и ^ Ремов-ский пахты им.Калинин!. Заключались они в том.что в зонах физико-химического воздействия на пласты и за ппеделами этих зон прибором 11-1 определяли динамическую прочность углк (в условнифдини-цах) и ппибооом ПК-1. -коэффициент крепости (врезанное сопоотив ленив сжатию*/ угля на глубине 2м. В обией Ложности произведено более 600 измерений двух названных прочностных характеристик.

Средняя величина динамической прочности угля в зоне Физико-химического воздействия, рассчитанная без учета мощности слагающих угольный пласт пачек, возросла та 16%. Временное сопротивление сжатию угля пласта Грицынка возросло в 1.6 раза (с 1,5 до 2,4 МПа), а пласта Ремовский - в 1,3 раза.

Получннные при проведении опытов в шахтных условиях результат хаиат.соглас^стся_с данными лабоюаторных испытаний образцов

/сг

к - Учитывается общепринятое положение о том, что .'■( -

•ля, брикетов. Но вмеси с тем, установили, что изменение проч->сти пачек различной степени нарушенное™, слагающих угольный [аст, происходит существенно по-разному. В большей степени повы-1ется прочность наиболее нарушенных, малопрочных пачек угольного ¡аста. Так, нарушенной пачки пласта Грицынка возрос в резуль-1те нагнетания полимерных растворов в х,9 раза, а пласта Ремов-"!Й - в 1,5 раза.

Анализ изменения прочностных характеристик угольного пласта 13Воляет утверждать, что вследствие физико-химического воздейст-[я прочность нарушенных, тектонически препарированных пачек угля 1зрастает всегда и значительно. Прочность не нарушенных, моно-[тных пачек изменяется (возрастает или даяе умзньшается)незначи- ° !Льно. Имеет место выравнивание прочности отдельных пачек уголь-|Го пласта и за счет этого достигается их равнопрочность.т.е. .к бы "монолитизация" призабойной части пласта, способствующая ¡едотвращению газодинамических явлений.

3.Промышленные испытания и внедрение способа физико-химического воздействия на плост 3.1.Выполненные исследования не позволили установить критерии, 1Торые бы оценивали такое изменение прочности угля в призабойной .сти пласта, которое обеспечивает предотвращение внезапных выбро-|В. В связи с этим использовали принцип приближения для определе-:я степени уменьшения склонности к внезапным выбросам угля и га. пластов за счет применения способа их физико-химического упрочнил. За основу нами принят /6/ разработанный ИГД им.акад.А.А. :очинского энергетический критерий подготовительной фазы внезапно внброса угля и газа: (У - у*)

2ЕЭ ; и)

где ■)) - коэффициент Пуассона;

- коэффициент интенсивности напряжений; - модуль упругости вмешавших пород; Э - максимальная поглощаемая углем энергия, отнесенная к площади его сечения по напластованию.

В левую часть нер зенства (4) входит параметр Э , непосредственно связанный с энергоемкостью разрушения. Экспериментально было установлено, что энергоомкость разрушения угля в зонах применения физико-химического способа воздействия на пласт увеличилась в к раза. Приближенный расчет позволяет утверждать, что значение левой части неравенства вследствие физико-химического воздействия становится примерно в 2 раза меньше. Следовательно, существенно уменьшается вероятность возникновения внезапного выброса угля и газа.

3.2.Величина смещений призабойной части угольного пласта в выработку является показателем, характеризующим степень разрушения его краевой части. При проведении промышленных испытаний способа предотвращения обрушений, основанного на нагнетании полимерных растворов, величина смещений была принята в качестве критерия эффективности способа, который использовался по следующей методической схе^е. На основании анализа измеренных значений смещений уточнял!. параметры ФХВ, в шахтных условиях проверялась правильность пред эженного метода расчета /?-э>р , отрабатывалось сочетание операций, необходимых для выполнения способа, с технологией проведения подготовительных выработок.

Промышленные испытания способа,в том числе в зонах геологических нарушений осуществлены при проведении выработок на пластах Ремовский и - Пята шахты им.Калинина; - Безымянный шахты "Красный Октябрь" ПО Орджоникидзеуголь;^ - Тонкий шахты им.Артема ПО Дзержинскуголь.

Для измерения смещений устанавливали реперные станции. Замеры осуществляли после выполнения трех технологических операций: производства взрывных работ;уборки породы и возведения юзепи; после выемки угля отбойным молотком. Реперы устанавливали в вертикальных и наклонных, пробуренных под углом к горизонтали примерно 40°, скважинах. Средние значения смещений для каждой из перечисленных технологических операций, измеренные в откаточном штреке пласта Ремовский - восток, представлены в табл.1.

Таблица I

Технологические операции

Средняя величина смещений, мм "вертикальная": наклонная скважина : скважина

Взсывная отбойка породы 2 I

Убопка породы и возведение крепи 3 2

Выемка угля отбойным молотком 15,3 10,1

Из таблЛ следует, что смещения пои выемке угля почти на порядок больше, чем при других технологических операциях. Из этого следует, что при оценке эффективности $ХВ в подготовительной выработке следует пользоваться величинами смешений, измеренными после окончания выемки угля.

В исходной зоне, нагнетание полимерных растворов в которой не производилось, и в зоне ®Ш были заложены вепеоные станции

(соответственно №№ 1,2,3,4 и №№ 5,6,7,8). На рис.2 представлены результаты измерений смещений по двум станциям (вертикальный скважины) каждой зоны в виде зависимости величины смещений от расстояния до обнажения угольного пласта. Из графиков следует, что зависимости смешений в сравниваемых зонах идентичны. Эти результаты дают основание сделать вывод, что несмотря на

а)

ЗАВИСИМОСТЬ СМЕЩЕНИЛ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ( Ы II) ОТ РАССТОЯНИЯ ДО 3АБШ,/, и

е„и

2

1

0.3 0.6 0.9 С,М

6Г)

Спи 2

о

—___ 1 1'

^

0.3 0.6

Рис. к

реперные станции № х и 6;

о.!) С,м

- реперные станции 1*-' 4 и .V б; и в исходных зонах и зонах ФХЬ

увеличение прочности угля и укрупнение блочно-трешиноватой структуры приэабойной части пласта смещения в выработку не устраняются, но интенсивность их уменьшается.

Промышленная проверка правильности предложенного метода расчета ^^основывалась на определении влажности угля на различных расстояниях от скважин, через которые производилось нагнетание полимерных растворов. В методической основе такого подхода находится тот факт, что применяемые при ФХВ полимерные растзоры содержат до 75% годы. Следовательно, по увеличения влажности угля на определенном участке пласта, на различном расстоянии от нагнетательных скважин можно оценивать проникновение в него полимерных растворов. Средние значения естественной (исходной) влажности угля по отдельным пачкам пласта Ремовский и по пласту в целом практически полностью совпали и составили 1,8$. Наиболее нарушенная пачка угля пласта Ремовский (пятая степень наруыенности) находится у его кровли (I пачка), а наименее нарушенная (вторая степень) - у почвы пласта (1У пачка).

Количество раствора, которое должно нагнетачься в одну скважину, рассчитывалось по формуле,- '

п< 2 Изу-Я-н (¿г* ¿и.о.) ,

(¡рас,-' "-¿ТШО / (5)

где - удельное насыщение полимерным раствором, л/т, ПЬ -- мощность пласта, м; ^ - плотность угля, ^/м3; Хг - глубина герметизации нагнетательной скванины. и: -///.о. - неснижаемоэ опережение, м.

С учетом коэффициента неравномерности обработки угольного пласта = 1,6) количество раствора составило 0.6 а3. Давление нагнетания 18 Ша, темп нагнетания поддерживался 3...5 л/ьшн,время нагнетания 2-3 ч, время отверждения раствора принималось равным примерно 5 ч. Средние значения влажности угля по яаядой из пачек в зоне ФХВ ( \У9/ ,%) приведены в табл.2.

ib

Таблица 2

Номер пачки i Расстояние от оси . ——— - . ■ : 0,5 : 1.5 : _скважиныЛ_м_ 2.5 : 3,5

I 2,7(12.5) 2.5(9.8) 2,2(5,9) 2,0(3,2)

П 2.7(12,5) 2,6(11.2) 2,1(4.5) 1.8(0.5)

ш 2,6(11,2) 2,4(8,5) 1,8(0.5) 1,7(0,0)

1У 2,5(9,8) 2,4(8,5) 1,8(0,5) 1,7(0,0)

При нагнетании использовался 25% - водный раствор полимера, что позволяет произвести пересчет влажности на фактическое удельное- насыщение раствором :

tff = 13,3 (.fops - Wuu)* где Wucx.- природная влажность угля, %.

Результаты расчетов в табл.2 приведены в скобках. Из табл.2 следует, что содержание полимера в пласте на расстоянии от нагнетательной скважины 1.5 м по отдельным пачкам колеблется от 8,5 до 12,Ь л/т и в среднем по всем пачкам составляет 10.5 л/т,.что не только свидетельствует о качественной обработке призабой«ой части пласта, но и о соответствии расчетных данных фактическим (различие менее 10^). По отдельным пачкам оно не более 15%. Довольно значительное количество полимеров находится в наиболее перемятой пачке на расстоянии 2,5 и даже 3,5 м от нагнетательной скважины. что доказывает фильтрационную анизотропию пласта и правильность введения коэффициента неравномерности обработки.

В целом во время промышленных испытаний при проведении на протяжении 80 м откаточного штрека пласта Ремовский обрушения на: висающего массива угля не происходили.

Наибольшая опасность обрушений при выемке угля крутых пластов

приходится на зоны геологических (тектонических) нарушений. Промышленные испытания способа ФХВ были выполнены также и при проведении штреков в мелкоамплитудных тектонических нарушениях, на пласте Ремовский шахты им.Калинина и Тонкий шахты им.Артема/б/, являвшихся типичными для мелкоамплитудной тектоники угольных пластов ЦРД. Переход подготовительными выработками этих нарушений час-го сопровождается обрушениями угля. Протяженность первого нарушения в направлении проведения штрека около 15 м, второго - пример-10 10 м.

Оценка эффективности ФХВ по данным измерений смещения краевой )асти пласта показала, что при проведении|откаточного штрека в ус-ювиях первого нарушения смещения уменьшились на 37?, а в услови-IX второго нарушения - на 32%. Эти результаты доказывают, что в юнах мелкоамплитудной тектоники после ФХВ смещения существенно ¡еньше, чем на участках, представленных ненарушенными углями.

Выполненные промышленные испытания с учетом комплекса приме-мемого оборудования, контрольной аппаратуры, средств ФХВ послу-;или основой для разработки типовых схем заложения скважин для агнетания полимерных растворов в призабойную часть пласта для бычиых условий (рис.3,а) и геологических нарушений, а также раз-аботать технологию способа, включающую следувдие операции: аправку транспортных емкостей раствором на поверхности'; достав-у их на место ведения работ; сборку нагнетательной схемы; бу-ение сквасин; приготовление раствора; нагнетание раствора; про-авку оборудования в нагнетательной магистрали; демонтаж оборудо-ания.

Согласно предложенной технологии реализация способа нагнета-ля раствора в пласт может производиться по двум схемам: однораст-зрной - крепитель и отвердитель смешиваются в низконапорной час-< магистрали нагнетания; двухрастворной - смешивание производится

ТИПОВАЯ СХЫА ЗШлЩНИЯ СКВлдМИ (а; И

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ФХВ НА НЛлСТ (б;

Л - А.

//////////////////////////////////////////////////////)!/////////,

Рис.3

1 - трубопровод сжатого воздуха; И - смеситель; 3,4 / емкости для смолы и отвердителя; 5 - насос; О - пневмодвигатель; 7 - датчик скорости вращения; а - автоматизированное устройство

в высоконапорной части магистрали.

К параметрам ФХВ относятся: удельное насыщение угля полимерным раствором; объем раствора, нагнетаемого в скважину; глубина герметизации; темп нагнетания; время нагнетания; время отверждения раствора; давление нагнетания.

Объем раствора, нагнетаемого в одну скважину, в общем случае с учетом (5) определяется по формуле:

где /3 - ширина забоя по углю в сечении подготовительной выработки, м; I - эмпирический коэффициент, принимаемый при применении ФХВ для уменьшения склонности угля к внезапным выбросам, равным I, а для предотвращения обрушений - двум.

3.3.Проницаемость призабойной части угольного пласта уменьшается в направлении от забоя в глубину массива. Это значит, что полимерный раствор при нагнетании будет двигаться преимущественно в сторону забоя, т.е. в сторону наибольшей проницаемости пласта. Такая направленность потока способствует, вытеканию раствора в выработку и приводит к уменьшению уровня удельного насыщения части массива, находящейся за пределами, основного потока раствора.

Устранение названных недостатков возможно за счет применения полимерных растворов с коротким периодом отЕевядения". Такой раст-вои затвеодевает во время движения от забоя скважины к забою подготовительной вьюаботки, что предотвращает его вытекания в выработку и снижает проницаемость призабойной части пласта в этом же направлении. Однако высокий уровень насыщения угля полимерными ма-тешалами не будет обеспечиваться в связи с низким проникновением жидкости в мелкие трещины и поры. Следовательно, для достижения максимально возможного удельного насыщения полимерными растворами призабойной части пласта целесообоазно разработать технологию по-

этапного (Л1../ХстадиИного) нагнетания быстро- и медленно-твердеющих растворов в различных режимах. При этом быстротвердеющий раствор необходимо нагнетать в течение такого минимального периода времени, которое позволит заполнить наиболее крупные трещины и поры до начала отверждения. Вслед за этим необходимо перехолить К нагнетанию медленнотвердеющего раствора для заполнения им более мелких пор и трещин. На второй стадии темп нагнетания раствора должен быть значительно ниже, а давление нагнетания сущест-. венно выше, так как скорость движения жидкости по мелким трещинам и порам значительно ниже, чем по крупным при прочих равных условиях.

Описанный процесс нагнетания - отверждения полимерных растворов носит ярко выраженный периодический характер и поэтому он мо-4 жет выть автоматизирован. Это улучшит качество обработки угольного массива за счет повышения равномерности и уровня удельного насыщения раствора.

Время отверждения раствора на первом этапе нагнетания целесо-обтазно выбирать минимально возможным. Из сказанного ранее следует, что наибольшее значение удельного насыщения раствора относится к призабойной части пласта глубиной около 1.5 м. поэтому время отверждения принимается равным 15-20 мин.

Время отверждения при нагнетании ыедленноотвердеюаего глство-ра должно быть таким, чтобы его вязкость в течение всего второго периода нагнетания существенно не увеличилась. Одновременно время нагнетания ограничивается необходимостью перехода раствора в твердое состояние в минимально короткий срок после окончания цикла на гнетания. Исходя из сказанного и с учетом общего времени нагнетания полимерного раствора за технологический цикл время отвержде-< QmS.

ния t¿ принимается равным примерно 200 мин /6/.

Отклонение темпа нагнетания от заданного в автоматизированной технологической схеме может быть двух типов. Статическая погрешность определяется типом регулятора, надежностью »лементов устройства. Изучение отклонения темпа нагнетания номинального в первом и втором режимах нагнетания позволило установить, что оно находится в пределах + 10% и с позиций качества обработки приемлемо .

Динамическая погрешность определяется, главным образом,изменением давления воздуха в питающей магистрали и изменением характеристик угольного пласта. Их значимость и влияние на надежность нагнетания полимерных растворов в призабойную часть угольного пласта с целью предотвращения обрушений оценивалась при испытании автоматизированной технологической схемы (рис.3,6) на шахтах им.Артема (пласт Тонкий; гор.660 ы, вентиляционный штрек) и "Северная" (пласт Л& - Каменка, гор.1050 м, откаточный штрек) ПО Дзерхинскуголь.

С применением разработанной технологической схемы автоматизированного ФХВ на призабойную часть штреков по пласту Тонкий пройдено 90 м, а по пласту Каменка 225 м выработок. Газодинамические явления не происходили. Определение уровня удельного насыщения углей полимерным раствором показало, что он соответствует расчетному: расхождения не превышают 20%. Следовательно, промышленные испытания в шахтных условиях подтвердили целесообразность совершенствования ФХВ на призабойную часть угольного пласта с целью предотвращения обрушений угля за счет внедрения автоматизированных технологических схем нагнетания полимерных растворов.

В течение 1984-1991г.г. применение способа повышения устойчивости угольных обнаженнй в подготовительных выработках крутых

■¿г

пластов, основанного на применении полимерных композиций /2/, на шахтах ПО Дзеркинскуголь им.Артема - пласты Тонкий и Толстый; "Северная" - пласты Каменка, Толстый, Пугачевка; "Новая" -Бура-ковка; им^зервинского - Каменка привело к увеличению темпов под-вигания примерно с 15-17 до 24 м/мес. Общее подвигание составило более 1700 м. Экономический эффект за 1985-1991г.г. составил по ценам тех же лет более 3 млн руб. /5/.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение актуальной научно-технической задачи, заключающейся в установлении особенностей и зависимостей проникновения в кра вую часть крутых пластов полимерных кйюзи-ций нагнетаемых для повышения устойчивости угольных обнажений в подготовительных выработках. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

X.Установлена зависимость величины удельного насыщения при-забойной части пласта полимерами при нагнетании растворов от расстояния до нагнетательной скважины, позволяющая определять об -л"сть, в которой исключаются обрушения угля и уменьшается вероятность возникновения внезапных выбросов.

2.Получена зависимость прочности и энергоемкости разрушения угля от удельного насыщения его полимерными композициями, позволявшая оценивать возможность предотвращения обрушений угольных обнажений в подго.овительных выработках крутых пластов и уменьшать склонности их к внезапным выбросам угля и газа.

3.Раскрыта особенность увеличения прочности отдельных пачек угольного пласта при нагнетании в них полимерных растворов, заключающаяся в том,что чем больше степень препарации пачки угля, тем большее достигается её упрочнение, приводящее к равнопрочности

всех угольных пачек или так называемому эффекту прочностной "moho литизации" пласта.

4.В зонах мелкоамплитудной тектоники нагнетание полимерных растворов уменьшает примерно в 2 раза величину смещений угольных обнажений подготовительных выработок крутых пластов по сравнению с ненапушенными зонами.

5.Для горногеологических условий шахт ЦРД разработаны типовые схемы заложения скважин для нагнетания полимерных растворов с целью повышения устойчивости угольных обнажений в подготовительных выработках.

6.Обоснована и испытана технологическая схема нагнетания полимерных растворов для упрочнения угольных обнажений в подготовительных выпаботках крутых пластов.

7.Обосновано и испытано двухстадийное (поэтапное) нагнетание полимерных растворов в призабойную часть пласта, обеспечивающее более полное и эффективное заполнение трещиновато-пористой среды полимерами. Разработана и испытана перспективная автоматизисован-ная технологическая схема физико-химического воздействия на призабойную часть пласта для уменьшения газодинамических явлений в подготовительных выработках.

Ь.Способ и технолсгические схемы физико-химического воздействия на угольный пласт внедрены на шахтах Центрального района Донбасса; экономический эффект только на шахтах ПО Дзержинскуголь за 1935-1991г.г. составил более 3 млн.руб.(в ценах того же периода).

Основные положения диссертации э форме научного доклада

содеожатся в монографии и пяти статьях:

¡.Повышение устойчивости выработок на крутых пластах /Бабиюк Г В..Ыусиенко В.Н., Калфакчиян А.П. и др.//Уголь Украины,- 1984.-

2.Руководство по применению физико-химического способа предотвращения обрушений угля и снижения выбоосоопасности крутых пластов Донбасса при проведении подготовительных выработок/ Ю.Ф.Васючков, В.В.Качак, А.П.Калфакчиян и др.- М.: МГИ.- 1986.-18с.

С.Васючков Ю.Ф.,Калфакчиян А.П. Физикл-химическое воздействие на массив при переходе нарушенных зон выбросоопасных пластов// Уголь Украины.- 1988.- » I.- С.33-34.

4.Калфакчиян А.П. Опыт применения полимерных соединений для укрепления крутых выбросоопасных пластов //Научно-технические

постижения и передовой опыт в угольной промышленности.- М.:1991.-ып.6.- С.20-21.

б.Васючков 1).$., Калфакчиян А.П., Сраков Е.А. Снижение выбро-соопасности и предотвращение обрушений Стольных пластов пш проведении горных выработок на шахтах ПО Дзержинскуголь /Горный информационно-аналитический бюллетень.- м.: ЫГИ.- 1992.- > 2.-С.4-9.

б.Васючков Ю.Ф., Калфакчиян А.П. Разработка угольных пластов в сложных условиях с применением полимерных композиций.- М.:ЦНИЭИ-уголь,- 1992.- 200с.

Подп. о печ.--ь.Н¿О¿.формат 60X847ie. Усл. печ. л. /,Ъ0 . Усл. кр.-otr. 1, Заказ 16 5-CS1.

Донецкий политехнический институт,

Бумага ги-гц. "у-ьи^х Офсетная печать.

Уч.-изд. л ."(¡О') , Тираж /30 экз.

340000, Донецк, ул. Артема, 58.

ДЛ1ПП, 340050, Донецк, ул. Артема, 00