автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Обоснование параметров и разработка взрывогидроимпульсного воздействия на газоносные пласты с целью повышения эффективности дегазации

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации Российская Академия наук ННЦ ГП - Институт горного дела им.А.А.Скочинского

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА СПОСОБА ВЗРЬШОГИДРОИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГАЗОНОСНЫЕ ПЛАСТЫ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕГАЗАЦИИ

РГБ ОД

На правах рукописи

Евгений Григорьевич НОСКОВ

Специальность 05.26.01 - "Охрана труда'

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в ННЦ ГП-Институт горного дела им. A.A. Скочинского.

■ Научный руководитель -заслуженный деятель науки РФ, проф., докт. техн. наук И. В. Сергеев. Официальные оппоненты:

проф., докт.техн.наук A.M. Морев, канд.техн.наук В.Г. Крупеня.

Ведущее предприятие - НЦ ВосгНИИ.

Автореферат диссертации разослан _С -1998 г.

Защита диссертации состоится "24" of. 1998

в ' 0 ч. на заседашш специализированного совета К. 135.05.03 Инст: тута горного дела им. A.A. Скочинского.

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого сов та института.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу 140004, гЛюберцы Московской обл., ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочн ского.

Ученый секретарь диссертационного совета проф., докт.техн.наук

И.Г.Ищу

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время подземная добыча угля почти на половину объемов приходится на шахты, опасные по метану и внезапным выбросам угля и газа, а в наиболее крупном бассейне - Кузбассе - на 75-100%. С ростом глубины горных работ уменьшается газопроницаемость и газоотдача угольного массива в скважины, в связи с чем за последние десятилетия эффективность дегазации разрабатываемых неразгруженных угольных пластов снизилась с 25-30 до 10-15 %. При этом продолжительность дегазащш свыше 6 месяцев не всегда является приемлемой.

Для интенсификации газоотдачи неразгруженных пластов развитие получили методы гидродинамического воздействия на угольный массив. Положительные результаты получены при использовагош гидроразрыва пластов из подземных выработок и их гидрорасчленения через скважины с поверхности.

Поэтому дальнейшие исследования по разработке эффективного способа интенсификации дегазащш угольных пластов являются актуальными.

Целью работы является обоснование параметров взрывогидроим-пульсного воздействия на угольный массив для повышения эффективности дегазации пластов.

Основная идея работы заключается в использовании эффекта создания равномерной сети трещин требуемого радиуса и ее сгущения в угольном массиве при взрывогидроимпульсном воздействии для увеличения газоотдачи пластов.

Основные научные положения, защищаемые в диссертации, и новизна:

1.Сеть искусственных трещин в пласте для увеличения газоотда угля в скважины образуется под силовым воздействием акустическ составляющей импульса и внедряемой в квазистатическом режиме ли кости на участке роста ее давления до максимального значения, п] вышающего уровень горного давления, и его последующего резко падения.

2. Взрывогидроимпульсное воздействие, интенсифицирующее пр( варительную дегазацию, проходит в особом режиме работы систем "взрывоимпульсная установка - вода - угольный массив", характеризу щимся прямо пропорциональной зависимостью скорости прироста д; ления рабочей жидкости от сопрот!шления внедрению ее в пласт.

3. Принимаемый за основу при расчете параметров дегазации { диус трещинообразования при взрывогидроимпульсном воздействии угольный массив, влияющий на эффективность дегазации, прямо пр порционально зависит от продолжительности импульса, скорости щ роста давления рабочей жидкости и уровня его превышения над гс ным давлением, а также от темпа ее нагнетания в пласт.

4. На основании совместного анализа основных параметров сг соба и средств воздействия на пласт установлено, что продолжите! носгь импульса составит 1-3 с при скорости прироста давления в -чение 0,1-0,7 с от 20-50 до 200 МПа/с и уровне его максимально значения 1-1,9 уН. Разработанные конструкция и типоразмер установ при эффективной обработке пласта на глубине 500-1500 м обеспе^ радиус трещинообразования от 2-8 до 7-20 м при среднем темпе нап тания 0,1-0,3м3/с, а дайну отдельных магистральных трещин-более 30 м. При этом ожидается кратное увеличение эффективности пред] рительной дегазации.

Научное значение работы состоит в : обоснования параметров способа взрывогидроимпульсного воздействия на газоносные пласты с целью повышения эффективности дегазации и установлении зависимости их от влияющих факторов.

Практическая ценность работы заключается в разработке: методики расчета, средств и методов выбора, отработки и апробации параметров взрывогидроимпульсного воздействия на газоносный угольный массив для увеличения его газоотдачи с целью интенсификации дегазащш пласта;

конструкции энергоносителя и взрывоимпульсной установки ( совместно с ФЦДТ "Союз");

двух технологических схем взрывогидроимпульсного воздействия на пласт с его параметрами;

трех технологических схем интенсивной дегазации разрабатываемого пласта с ее параметрами.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждены:

применением сочетания различных методов планирования экспериментов и представительным объемом полученных в опытах экспериментальных данных (более 120 серий опытов);

сходимостью в удовлетворительных пределах теоретических и расчетных показателей и зависимостей с данными, полученными в экспериментах;

положительными результатами стендовых испытаний способа и экспериментального образца взрывоимпульсной установки, созданной с учетом рекомендаций, изложенных в диссертации.

Реализация работы. Результаты диссертации использованы в ИГД им.А.А.Скочинского и ФЦДТ "Союз" при разработке технического задания на взрывоимпульсную установку, испытании экспериментального

образца, а также при апробации способа интенсивной дегазации шахтах Караганды.

Апробация работы. Основное содержание диссертационной ра ты и ее отдельные положения докладывались в составе научных от тов по НИР (1981-1997 гг.) на научных семинарах лаборатории га обильности и дегазации шахт, отделения рудничной аэрологии и бо бы с внезапными выбросами, Ученом С овете И им.А.А.Скочинсхого, а также на технико-экономическом Совете 1 "Карагандауголь" (г.Караганда, 1990 г.), Республиканской науч технической конференции (г.Алма-Ата, 1982 г.), Всесоюзной науч технической конференции молодых ученых и специалистов уголы промышленности (г.Люберцы, 1983 г.), IV Республиканской конфереш (г.Донецк, 1984 г.), научном совете при Президиуме t СССР(г.Москва,1990 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано печатных работ, в том числе четыре авторских свидетельства на и бретения.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 132 наименован 3 приложений и включает 149 машинописных страниц основного т. ста, 49 рисунков, 27 таблиц.

В диссертации изложены результаты научных исследований, ] полненные автором в 1981 - 1997 гг. Автор выражает искреннюю п знательность заведующему лабораторией газообильности и дегаза1 шахт канд.техн.наук B.C. Забурдяеву за методические и научные к сультации и сотрудникам этой лаборатории за помощь в подгото диссертации к защите, а также сотрудникам ФЦДТ "Союз", оказавп помощь в проведении стендовых испытаний установки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Согласно сформулированной цели, в работе исследованы и обоснованы параметры, позволяющие разработать способ взрывогидроим-пульсного воздействия на газоносные пласты с целью повышения эффективности дегазации. Способ гидроимпульсного разрыва угольного пласта, осуществляемый в квазистатическом режиме нагнетания жидкости в массив, предложен в ИГД им. А.А.Скочинского (И.В.Сергеев, В.С.Забурдяев, Г.С.Забурдяев и др.). Он имеет больший радиус зоны обработки, чем другие импульсные способы, но требует разработки способов управления процессом раскрытия трещин в пласте и приемов дальнейшего повышения равномерности их развития, а также совершенствования методов гидрообработки газоносного горного массива с целью интенсификации его дегазации, исследования механизма раскрытия трещин и установления закономерностей, описывающих внедрение жидкости в угольный пласт в различных режимах.

Развитию метода гидродинамического воздействия на пласт за последние 35 лет посвящены исследования Ю.П.Желгова, Н.В.Ножкина, А.С.Бурчакова,С.АЛрунина,С.В.Сластунова, О.И.Чернова, О.С.Гершуна, Е.И.Преображенской, Е.И.Фоминых,В.О.Кривошеева,В.А.Садчикова,Н.Х. Шарипова,В.Б.Потоцкого,Г.И.Сухорукова,И.В.Сергеева, В.С.Забурдяева, Б.Е.Рудакова, А.Н.Яковлева, Д.И.Бухны и др.

Проведенный анализ показывает, что апробированные способы гидродинамического воздействия на пласт через скважины для интенсификации газоотдачи и средства для их реализации имеют каждый свою определенную и зачастую ограниченную область применения, а также обладают рядом как общих, так и присущих отдельному способу недостатков : малым радиусом трещинообраэования, неравномерностью и низкой глубиной гидрообработки угольного массива, большой продолжительностью времени воздействия и значительными, в ряде случаев экономически неэффективными, материальными затратами на проведение работ. Требуемая эффективность дегазации разрабатывае-

мых пластов и с применением гидровоздействия в большинстве случае не обеспечивается даже при небольших расстояниях между пластовым скважинами. В процессе гидрорасчленения и гидроразрыва имеют м сто прорывы воды в горные выработки, а по окончашш работ нео( ходим дренаж закачанной рабочей жидкости и осушение обработаны го участка пласта. Импульсные установки маломощны и немобильнь Способы с применением обычных ВВ требуют разработки мер безе пасности, особенно в плане предупреждения и профилактики отказе зарядов и их ликвидации. Процесс образования при гидровоздействи густой сети трещин значительного радиуса с равномерной и глубоко обработкой угольного массива в литературных источниках, опись вающих внедренные и разрабатываемые способы, не привода-ся.Механизм его требует дальнейшего изучения и проработки.

На основании проведенного анализа существующих исследованл и исходя из поставленной цели, в настоящей работе решались сл дующие задачи:

исследование процессов внедрения жидкости в горный массив образования сети трещин;

оценка факторов, влияющих на параметры и эффективность га, роимпульсного воздействия на угольный пласт с целью повышения а газоотдачи;

обоснование и разработка параметров способа и средств взрыв-гидроимпульсного воздействия на пласт через скважины с использов нием твердого топлива;

разработка технологических схем и параметров способа интенси ной дегазации угольных пластов с применением взрывогидроимпуль ного воздействия.

Минимальная продолжительность импульсного воздействия I массив т непрерывной волной сжатия может быть определена с учете условия разрушения по" Гриффитсу из выражения

fA (1)

с

где i- длина трещины, м; с-скорость звука в массиве, м/с.

С учетом продолжительности отрезка импульса (i .табл. 1), равного 0,1 - 0,4 с, в течение которого прирост давления происходит с максимальной скоростью, а процесс роста трещин наиболее устойчив, длина магистральной трещины может составить 15-61 м.

Минимальное значение напряжений на контуре рабочей скважины для образования трещин в зоне радиуса R можно установить по формуле

Сскв = СТсж (2)

где сускв, Сеж - соответственно напряжения на контуре скважины и

радиус

предельные напряжения сжатия, МПа; r-^скважины, м.

При этом с учетом формулы (2) радиус зоны трешинообразования может составить 2-23 м. В том же случае при скорости роста давления 50 - 200 МПа/с и его максимальной величине 18 - 75 МПа продолжительность участка роста давления в импульсе должна составлять 0,1 - 0,5 с. Длина магистральной трещины в угле крепостью до 10 МПа составит 15 - 100 м при радиусе зоны трещинообразования в среднем 1 -17 м. При крепости угля 4-23 МПа радиус трещинообразования 820 м, необходимый и достаточный с учетом принятых на практике расстояний между дегазационными скважинами, может быть достигнут при обеспечении в импульсе максимального давления 37-337 МПа.

Согласно предложенной физической модели разрыва угольного пласта при взрывогидроимпульсном воздействии (рис.1), механизм образования трещин реализуется во времени на участке роста давления рабочей жидкости до его максимального значения.

При пульсациях давления на участке его роста на длине отрицательной части полуволны (частичное падение на каждом из "пиков") действуют эффекты мгновенного сброса давления (кавитации), порож-

Таблица I

Результаты разработки основных параметров способа взрывогадроимпульсного

воздействия на угольный пласт и средств для его реализации

Этим разработки Глубина залегания обрабатываемого пласта Н, и Продолжительность импульса ^ с Максимальное давление рабочей жидкости (газов) Р, МЛа Расход жидкости в стволе (скважине) м'/с Радиус зоны тре-щинообра-зования (в плоскости пласта) К, м

до падения давления до уровня гомпа на участке роста давления до максимального уровня

Теоретические исследования Лабораторные исследования СПО СОВ

более 500 400-600 1-2 0,1-1 0,08-0,72 Не менее 0,75 уН •1,051,31 ун 0,1-0,3 0,44 8-20 (3-8)-47-14)*

Шахтные исследования Стендовые испытания 230-560 450-1700 1,5-2,03 0,43-0,69 0,751,78 7Н 17,7-63,4 0,1-03** -

Инженерные расчеты 450-1700 2-3 0,1-0,4 СРЕД 40-340 СТВ А. 0,1-0,3 2-20

Теоретические исследования ОД 1-0,49 0,15-0,28 53-76 6,12-0,25

Стендовые испытания 1,5-2,03 0,54** 62-76 (До 100) - -

Инженерные расчеты 1о 3000 - - До 1000 До 0,324"*

*)- Зона заводнения; **)- Среднее значение; ***)-Газоириход на 1 кг твердого топлива. .

Рис Л. Физическая модель разрыва угольного пласта при взрыво-

гидроимпульсном воздействии: I - пласт; 2 выработка-; 3 - скваг>ша:с рабочей жидкостью; 4 - ствол взрыаоимпульсной установки; 5 - узел герметизации скваздаы с вязкой жидкостью; 6,7,8 - магистральная, крупная, мелкая трещины; 9 - зона герметизации; 10 - граница зоны заводнения трещин; II - граница обработанного участка пласта; 12 - оконтуренные трещинами блоки угольного массива

дающие на стенках скважины и магистральных трещин серию гидр; лических ударов. Их действие на угольный массив тем эффективн чем выше давление нагнетания и сильнее сжат газ в рабочей жидкое и пласте. Эффективность гидравлических ударов проявляется в спосо ствовании образованию устьев трещин в стенках скважины и магис ральных и крупных трещин, а также их ветвлению.

Колебательный процесс, характеризующийся пульсацией давлени имеет Mecró только при относительно большом по сравнению с уро нем максимального давления в импульсе сопротивлении массива вн дреншо жидкости (см.рис. 2,6). При сравнительно невысоком сопроти лении массива, а также высокой скорости роста давления, вероятное возникновения колебательного процесса мала. В этом случае осно: ными факторами, управляющими процессом создания сети трещин, о таются скорость роста давления жидкости до максимума и превышен! уровня максимального давления над горным на обрабатываемом уч: стке пласта. Однако значения этих величин не должны быть излишк высокими. В каждом конкретном случае их необходимо оггошизирс вать.

На основании итогов экспериментов можно сделать выводы картине заводнения пласта. Радиусы и объем области заводнения пр; взрывогидроимпульсном воздействии меньше радиусов и объема сет; искусственных трещин в обработанном из одной скважины участк пласта (рис. 1, табл.1).

Более равномерная сеть искусственных газопроводящих трещш образуется в пласте с низким коэффициентом Пуассона (0,23 - 0,31), бо лее неравномерная - с высоким (0,43).

По мере нагнетания жидкости в пласт сопротивление угольногс массива ее внедрению возрастает (см.рис. 2). Поддержание давления на гнетання и процесса роста и ветвления трещин обеспечивается сравни тельно продолжительным подводом энергии расширяющихся во взрыв

4 £ ,с

Рис.2. Графики давления при испытаниях способа воздействия ■ на пласт: •

а - зависимость давления жидкости ' от предварительно созданного и продолжительности импульса; 6 - фаза нарастания давления; в - изменение давления а импульсе; 1,2 - короткий импульс с минимальным и максимальна! предварительным давлением; 3 - продолжительный импульс; 4,5 - вскрытие диафрагмы и конец реализации заряда; 6,7,8,9 - соответственно изменение давления в камера, за критическим сечением сопла, в начала и в конца модели скважины.

ной камере газов. При этом для раскрытия вертикальных трещин давление жидкости при ее внедрении в пласт составляет не менее (0,4 -0,8) уН, а для горизонтальных - (1 -1,78) уН при средних значения 0,75 и 1,22 уН соответственно (см.табл.1).

В случае увеличения введением загущающих добавок динамической вязкости рабочей жидкости повышаются уровень ее максимального давления в импульсе и уровень минимального давления разрыва угольного Пласта (начало гидроразрыва), что способствует интенсификации процесса ветвления трещин, а также обеспечению более глубокой обработки массива. Однако при этих же условиях пульсация давления на участке его роста понижает порог давления гидроразрыва пласта, что обусловливает раскрытие большего числа магистральных трещин.

Следует отметить, что уровень максимального давления гидроразрыва пласта повышается (см.рис. 2,а) в случае предварительного, статически созданного в скважине, относительно высокого давления, длительность поддержания которого должна быть как можно короткой. Объем обработанного участка пласта в этом случае возрастает. Увеличение продолжительности импульса снижает этот фактор эффективности воздействия.

В серии стендовых испытаний способа и средств воздействия (см.рис.2,б,в и рис. 3) реализация заряда твердого топлива осуществлялась в полости взрывной камеры, закрытой срезным диском, которая соединялась с полостью модели скважины с фильерами (13 шт.) через промежуточную емкость рабочей жидкости. Во взрывной камере, на выходе из нее и по длине скважины устанавливали датчики давления. Диаметр критического сечения сопла камеры составил 0,028 м, диаметр фильер, имитирующих трещины, - 0,003 и 0,005 м (в разных опытах). Масса заряда была принята равной 2,7 кг.

I - пласт; 2 - выработка; 3 - скважина с рабочей жидкостью; 4 - обсадная труба; 5 - клапан; б - ствол; 7 - жидкость герметизатора; 8 - установка; 9 - генератор импульсов; 10-энер-гоноситель; II - платформа; 12 - упор; 13 - водопровод; 14 - емкости; 15 - расходомеры; 16 - насосы; 17,18 - напорные трубопроводы вязкой и рабочей жидкости. -

Рост давления жидкости продолжался в течение 0,43 - 0,51 с и имел линейный характер. В варианте обработки углей (диаметр фильер, имитирующих водоприемистость пласта, 0,005 м) при невысоком сопротивлении массива внедрению жидкости скорость прироста давления составила 36-40 МПа/с при уровне его максимального значения 1820 МПа. Пульсирующий характер графика роста давления был выражен слабо.

В варианте обработки углей при высоком сопротивлении массива внедрению жидкости (диаметр фильер 0,003 м) скорость прироста давления составила 109 - 143 МПа/с при высоких ее значениях в забое скважины, а уровень его максимального значения достиг 48 - 63 МПа (см.рис.2,б). Пульсирующий характер графика роста давления был выражен большой амплитудой пульсаций ("пиков") при существенном их количестве. Давление жидкости в скважине на определенном отрезке значительно (до 20% и более) превышало давление газов во взрывной камере.

На основашш этого можно сказать, что при взрывогидроим-пульсном воздействии имеет место прямо пропорциональная зависимость скорости прироста давления рабочей жидкости от степени возрастания сопротивления угольного массива внедрению жидкости. В обоих случаях давление рабочей жидкости в забое скважины выше, чем в ее устье. При применении взрывоимпульсной установки, использующей энергоноситель"'с зарядом твердого топлива, имеет место особый ("автоколебательный") процесс системы "установка-вода - массив". Его проявление усиливается при возрастании сопротивления угольного массива внедрению жидкости, что приводит к увеличению акустической составляющей воздействия.

Согласно расчету баллистических характеристик взрывоимпульсной установки, заряд семи одноканалышх шашек данной 0,25 м и массой 7,65 кг (табл.2) способен обеспечить средний темп нагнетания

рабочей жидкости до 0,25 м3/с при противодавлении в скважине в 40 МПа и плотности заряжания 0,35 г/см3. Простое увеличение массы заряда способствует лишь продлению времени поддержания высокого давления рабочей жидкости. Однако средний темп ее нагнетания будет почти на порядок ниже максимального.

Темп нагнетания рабочей жидкости в квазистатическом режиме формирует процесс ее внедрения в массив по магистральным и крупным трещинам и зависит от скорости перемещения границы раздела сред "газы-жидкость" в стволе установки и его диаметра.

Расход рабочей жидкости Q при квазистатическом режиме нагнетания будет равен скорости роста объема трещин и рассчитывается по выражению

е = о h 5, (3)

где и- скорость роста трещин, м/с ; h - мощность пласта, м; 5 - раскрытие трещин, м.

Скорость роста трещин может достигать порядка 50 - 100 м/с, а мгновенный расход жидкости - 0,4 м3/с и более. Если принять высоту вертикальной магистральной трещины равной 2 м, а величину ее раскрытия 1(Н м, следует ожидать внедрения жидкости при скорости 102м/с в устья порядка 20 трещин.

На основании совместного анализа основных параметров способа и средств (см.табл. 1) можно считать, что максимальное давление рабочей жидкости Рлг будет от 1- 1,3 до 1,9 уН. Тогда, согласно формуле Ри.г= ^уН, коэффициент к составит от 1-1,3 до 1,9. Продолжительность импульса воздействия составит от 1,5 - 2 до 3 с, а на участке роста давления - от 0,1 - 0,4 до 0,7 с. Скорость прироста давления может быть от 20 - 50 до 200 МПа/с. Глубина залегания разрабатываемого пласта, обработка которого может быть эффективной, находится в пределах от 200 - 500 до 600 - 1700 м и более. Средний темп нагнетания рабочей жидкости будет от 0,1-0,25 до 0,3 м3/с. При этом разработан-

ные типоразмер и конструкция энергоносителя способны обеспечить расход жидкости от 0,12 до 0,25 м3/с. Радиус трещинообразования составит от2-8 до 7-20 м, а длина отдельных магистральных трещин -до 15-30 м и более. На кратковременных участках импульса при достижении мгновенного максимального темпа внедрения рабочей жидкости уровня до 0,44 м3/с и более можно обеспечить в первом цикле воздействия радиус зоны заводнения магистральных и крупных трещин от 3-8 до 1 -14м при радиусе зоны трещинообразования более 15м.

Плотность заряжания семи одноканальных шашек (вариант 1), равная 0,35 г/см3, позволяет достичь давления в камере 75 МПа при средней скорости его нарастания 500 МПаУс (см.табл.2). Повышению скорости роста давления и его максимального уровня способствует степень развитости поверхности горения заряда и плотность заряжания взрывной камеры, а также сопротивление горного массива внедрению рабочей жидкости.

ТшЗлицз 2

Расчетные параметры работы взрывоимпульсной установки

В.-Ш1-

г'нт

ком-

струк

цшг

Мгсса Длина

заряда. ШС31ЖИ,

кг и

Максим?лы1ое .'Продолжитель- Средняя ско- .'Средний темп давление газав Гпость двндепияерЬсть с»па:- :ипгистпния к к:в стволэ гра- :лия по стволу:рр.иочсй :hiiuh раздела ; граница разде^жидкости, ¡сред, ;ла сред, : „эд

! с : »i/o :

I 3,й70 0,12 53 0,49 21,6 0,076

Ь.ЗоЗ 0,173 ее 0,43 34,4 0,121

5,Ь74 0,18 63 0,42 35,7 0,126

6,118 о,го 66,5 0,27 65,6 0,196

7,647 0,25 75,6 0,21 71,4 0,2.32

г 9,360 0,235 34 1,33 10,5 0,037

3 13,110 0,32 57,8 1,13 12,9 0,046

Расчетная зависимость скорости движения жидкости в

времени как показатель ее темпа нагнетания имеет на графике вид всплесков различной амплитуды. Значения скорости достигают величины 55 - 70 м/с. При этом больший общий расход создается большей массой заряда. Так, жидкость из ствола длиной до 30 м и внутренним

диаметром 0,067 м может быть полностью вытеснена в скважину и далее в пласт, залегающий на глубине 1500 м, за 1 - 2 с (см.табл.2).

В лабораторном эксперименте задавшись масштабами:

линейным - Ь = / г я = 1 /100,

механических напряжений а и давления рабочей жидкости Р -а = =(уН)м/ (уН)„ = Рм/Рн = 1/Ю,

соотношения модуля упругости Юнга/-

/= = 1/190,

соотношения коэффициента Пуассона V -

V = Ум/Ун = 1,

были выведены формулы:

и = = (4)

о3 Г V-м

где £ - длина трещины (пласта, скважины); у - объемная масса горных пород, Н - глубина залегания пласта, уН - вертикальное давление (вертикальная нагрузка), Р - давление рабочей жидкости, Е - модуль упругости Юнга, I - продолжительность импульса, ц - динамическая вязкость жидкости, С> - темп нагнетания жидкости, м - модель, н - натура.

При стендовых испытаниях способа и средств графики давления

газов во взрывной камере (см.рис. 2,б,в) имеют удовлетворительную сходимость с расчетными. При этом следует отметить различия в значениях максимального давления, как фактических, так и в сравнении с расчетными, однозначно зависящего от уровня сопротивления массива внедрению жидкости.

При принятых к расчету массе заряда 5,353 кг и противодавлении в скважине (сопротивление массива) 40 МПа (см.табл. 2) уровень максимального давления составил 62 МПа. Принятый к испытанию заряд массой 2,1 и 2,7 кг позволил создать максимальное давление в камере от 26 до 52 - 56 МПа (см.рис. 2, в), и даже до 87 МПа (см.рис. 2,6). Каждый из этих графиков отражает возрастание сопротивления массива и подтверждает предположение об особом ("автоколебательном") режиме

раооты системы взрывоимпульсная установка - вода - угольный массив". Полученные результаты также подтверждают правильность выбранной математической модели установки и надежность методики расчета внутрибаллистических характеристик по методу, разработанному совместно с ФЦДТ "Союз".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной для угольной промышленности научной и практической задачи по обоснованию параметров и разработке способа взрывогидроимпульсного воздействия на газоносные пласты с целью повышения эффективности дегазации.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Управлять процессом создания в пласте равномерной и густой сети газопроводящих трещин необходимого радиуса при глубокой обработке угольного массива возможно взрывогидроимпульсным воздействием на него. Деформация пласта в пределах упругости происходит под сотовым воздействием акустической составляющей импульса и внедряемой в квазистатическом режиме рабочей жидкости.

2. Разработана физическая модель разрыва угольного пласта взрывогидроимпульсным воздействием из скважины, учитывающая модель горного массива. Требуемые параметры сети искусственных трещин достигаются на отрезке импульса, характеризующемся возрастанием давления жидкости до максимального значения и последующего его резкого падения за счет затрат энергии на преодоление сопротивления угольного массива. Основными управляющими процессом факторами являются скорость роста давления жидкости до его максимального уровня, превышение последнего над горным, а также темп ее нагнетания. Уровень максимального давления в импульсе и скорость его достижения зависят от коэффициента Пуассона угля, величины горного давления и динамической вязкости рабочей жидкости.

3. Стендовыми исследованиями установлено, что взрывогидроим-пульсное воздействие проходит в особом ("автоколебательном") режиме работы системы "взрывоимпульсная установка - вода - угольный массив", характеризующимся прямо пропорциональной зависимостью скорости прироста давления рабочей жидкости от сопротивления внедрению ее в пласт. Сравнительно высокая скорость прироста давления жидкости сопровождается большими амплитудой и частотой его пульсаций, что 'приводит к усилению роли акустической составляющей импульса и как цели воздействия к глубокой обработке массива с созданием равномерной и густой сети газопроводящих трещин необходимого радиуса. Такая картина сети трещин имела место в 71% случаев физического (лабораторного) моделирования воздействия.

4. Совместно с ФЦДТ "Союз" разработаны конструкция энергоносителя и типоразмер установки, способные эффективно обработать пласт, залегающий на глубине 500 - 1500 м, и обеспечить радиус тре-щинообразования от2-8 до 7 - 20 м при среднем темпе нагнетания 0,1 -0,3 м3/с, а длину магистральных трещин - более 15 - 30 м. Установлено, что продолжительность импульса составит 1 - 3 с при скорости прироста давления в течение 0,1 -0,7с от 20 - 50 до 200 МПа/с и уровне его максимального значения 1 -1,9 уН. При этом ожидается кратное увеличение эффективности предварительной дегазации.

5. Разработаны параметры способа и средств взрывогидроимпульс-ного воздействия на пласт через скважины с использованием балли-ститного твердого топлива, включающие схемы воздействия, методику расчета и выбора параметров способа воздействия, а также параметры и технический уровень средств для его реализации. Установлена область их применения. Расчетные и фактические графики давления имеют удовлетворительную сходимость, а прорыв срезного диска происходит под воздействием в основном температуры газов.

При расчете параметров скважин за основу необходимо принимать радиус зоны магистральных трещин (Кг). Сгущение сети каналов фильтрации метана повышает его общий съем в обработанной зоне. Концентрация каптируемой из нее смеси составила при передовой дегазации 30%. Эффективность интенсивной дегазации при проведении пластовых выработок достигла 40%.

6. Разработаны технологические схемы и параметры способа интенсивной предварительной и барьерной дегазации угольного пласта с применением взрывогвдроимпульсного воздействия на него. Установлены условия применения трех схем и составлен объем и порядок проведения работ. Технологические схемы дегазации с воздействием на пласт могут быть рекомендованы к использованию как основные для добычи метанового газа из угольных пластов.

7. Установлены область и возможная эффективность применения разработанного способа и средств взрывогвдроимпульсного воздействия на угольный пласт, а также способа интенсивной дегазации и его технологических схем для увеличения темпов проходки выработок и объемов добычи угля. При эффективном применении схем коэффициент интенсификацш! достигает 1,5 - 3 по сравнению с традиционной схемой дегазации пласта. При апробации схем на трех участках двух шахт Караганды получены социальные и экономические эффекты.

Разработано техническое задание на опытный образец установки для взрывогидроимпульсного воздействия на угольные пласты. Составлены исходные конструкторские материалы, ведется изготовление опытного образца установки. На новые технические решения получены четыре авторских свидетельства на изобретение, осуществлено их внедрение. Подана заявка на патент.

Основные положения диссертации и результаты опубликованы в следующих работах:

1. Носков Е.Г. Оценка существующих способов гидравлической обработки угольных пластов с целью повышения газоотдачи (тема 01158) II Вопросы аэрологии в угольных шахтах: Науч. сообщ./Ин-т горн.дела им. А.А.Скочинского. -М., 1983,- Вып. 222.

2. Носков Е.Г. Параметры гидроимпульсного воздействия на разрабатываемый угольный пласт. // Вентиляция, борьба с газом и пылью в угольных шахтах: Науч.сообщ./ Ин-т горн.дела им.А.А.Скочинского.-М., 1985.-Вып.236.-С. 110-114.

3. A.c. 1259713 СССР, МКИ Е 21 F 5/00, 7/00. Стенд для исследования параметров гидроимпульсного воздействия на массив/ Б.Е.Рудаков, И.В.Сергеев, Е.Г.Носков и др. ; ИГД им.А.А.Скочинского,-№ 3818383/22-03; № 3821239/22-03; Заявл. 30.11.84. Опубл. 23.11.86 // Открытия. Изобретения. - 1986,- № 35 (ДСП). - С. 278.

4. Вильчицкий A.B., Носков Е.Г. Перспективы применения гидроразрыва угольных пластов для интенсификашш их дегазащш // Внезапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология : Науч.сообщ./ Ин-т горн.дела им. А.А.Скочинского. - М., 1988. - С. 90-95.

5. Исследование параметров взрывогидроимлульсного воздействия на пласт с целью его дегазащш / В.С.Забурдяев, Б.Е.Рудаков, Е.Г.Носков и др. // Внезапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология: Науч.сообщ./ Ин-т горн.дела им.А.А.Скочинского.- М.,1989,- С. 148-157.

6. Носков Е.Г. Результаты исследований параметров гидроимпульсного воздействия на пласт // Внезапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология: Науч.сообщ./Ин-т горн.дела им. А.А.Скочинского. -М., 1990.-С. 103-112.

7. Забурдяев B.C., Рудаков Б.Е., Носков Е.Г., Сухоруков Г.И. Дегазация угольных пластов и перспективы применения взрывоимпульс-ной установки с зарядом твердого топлива // Основные направления использования ракетных твердых топлив и порохов в народном хозяй-

стве: Материалы научного совета при Президиуме АН СССР 14 июня 1989 гJ ЦНИИНТИКПКК.- М., 1990,- С.80-83.

8. A.c. 1686897 СССР, МКИ Е 21 F 5/00, 7/00. Стенд для исследования параметров взрывогидроимпульсного воздействия на массив через скважины/ B.C. Забурдяев, И.В. Сергеев, Е.Г. Носков и др. ; ИГД им. А. А.Скочннского. - № 4711316/03; Заявл. 31. 05.89. Опубл. 23.10.91// Открытия. Изобретения,- 1991.- № 39 (ДСП).- С. 241.

9. Рудаков Б. Е., Носков Е.Г. Стендовые исследования гидроимпульсного воздействия на массив через скважину // Внезапные выбросы угля и газа, рудничная аэрология : Науч.сообщ./ Ин-т горн.дела им. А.А.Скочинского.- М., 1992,- С.32-39.

10. A.c. 1709090 СССР, МКИ Е 21 С 39/00. Модель горного массива / Б.Е.Рудаков, Е. Г. Носков, И. В. Сергеев и др. ; ИГД им. А. А. Скочин-ского. - №4774096/03; Заявл. 26.12.89. Опубл. 30.01.92 // Открытия. Изобретения. - 1992,- № 4.. С. 138.

11. A.c. 1788244 СССР, МКИ Е 21 С 39/00. Стенд для исследования параметров гидродинамического воздействия на горный массив/ Е.Г.Носков,И.В.Сергеев, В.С.Забурдяев и др. ; ИГД им.А.А.Скочинского,- № 4897412/03; Заявл. 28.12.90. Опубл. 15.01.93. // Открытия. Изобретения. - 1993. - № 2, - С. 136.

Подл, в печать 21.05.98 г. Формат 62,5x84 Ч\в.

Бум. писчая № 1. Уч.-изд.л. 1,00. Тираж 100 экз.

Изд. № 100162.

ННЦ ГП-Институт горного дела им. А.А.Скочинского

140004, г.Люберцы Моск. обл.