автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка способов разупрочнения углепородного массива диоксидом углерода

Министерство топлива и энергетики РФ Российская академия наук Национальный Научный Центр Горного Производства - ИГД им. А.А. Скочинского

На правах рукописи Николай Филиппович ТКАЧЕНКО

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ РАЗУПРОЧНЕНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА

Специальность 05.15.11. - «Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998

Л** \/

Диссертационная работа выполнена в Институте горного дела им. A.A. Скочинского

Официальные оппоненты:

проф., докт. техн. наук Ю.В. Шувалов

проф., докт. техн. наук С.Е. Чирков

проф., докт. техн. наук A.B. Астахов

Ведущая организация - ВНИМИ, 199026, г. Санкт-Петербург, В-26, Средний проспект, 82

Защита диссертации состоится . 1998 г.

JP ес

в час на заседании специализированного Ученого Совета Д. 135. 05. 03. при ИГД им. A.A. Скочинского по адресу: 140004, г. Люберцы Московской обл., ИГД им. A.A. Скочинского.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ИГД им. A.A. Скочинского.

Автореферат разослан и с'б^/^/ЯД¿У 8 г.

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

Н.Ф. Кусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Многие трудности отечественной угольной промышленности связаны с тем, что до сих пор нет технических и технологических решений, которые позволяли бы в конкретной горно-геологической и производственной обстановке, особенно в наиболее сложных случаях (пласты крутого падения, малой мощности, целики и проч.), нужным образом управлять свойствами и состоянием углепородного массива и подготавливать его к экономически-целесообразной выемке угля, одновременно повышая безопасность горного производства и создавая благоприятные предпосылки для решения проблем его экологической агрессивности. Причиной является ограниченность применяемых для этого средств предварительного воздействия на угольно-породный массив, большинство из которых по своему происхождению относятся к механическим, имеют масштаб, чаще всего сравнимый с характерными размерами горных выработок, что затрудняет (если не исключает вовсе) гибкое целенаправленное регулирование свойств массива в соответствии с поставленными производственными, социальными и коммерческими задачами.

Использование жидких ПАВ в качестве разупрочняющих реагентов позволило разработать ряд способов разупрочнения массива, основанных на использовании эффекта адсорбционного понижения прочности твердого тела (эффект Ребиндера) в результате протекания на его поверхности диффузионно-химических процессов. Однако применение жидких ПАВ для целого ряда производственных задач ограничено значительным временем пропитки массива. Этот недостаток можно устранить, используя в качестве разупрочняющего реагента газ, сорбционно-активный по отношению к углю.

В 1987 году обнаружен, а за истекшее десятилетие детально исследован процесс капилляроподобной конденсации неинертных газов в надмолекулярной структуре ископаемых углей, одним из последствий которого является интенсивное разупрочнение угля. Свойства физико-химического конденсационно-обусловленного процесса разупрочнения газонасыщенного угля таковы, что позволяют использовать этот процесс практически в любых горно-геологических условиях, в сочетании с любыми основными процессами разрушения угля, обеспечивающими его промышленную выемку и возможности управления геометрией выработанного пространства при разработке угольных месторождений подземным способом. Создание соответствующих нетрадиционных технологий требует разрешения ряда принципиальных вопросов физики взаимодействия с углем прежде всего газов с достаточно высокой температурой конденсации,

к которым, в частности, относится углекислый газ и производство которого в настоящее время не связано с серьезными техническими и экономическими проблемами.

Представленная работа выполнялась с 1991 года под научным руководством автора в Государственной научно-технической программе «Недра России» по Проблеме «Создание экологически чистых способов добычи угля и получения продуктов его переработки на месте залегания» в проекте Г-6 «Разработка и проведение опытной проверки нетрадиционной экологически чистой технологии добычи угля с использованием физико-химических, виброимпульсных и других воздействий на угольный пласт», а также в Отраслевом проекте Минтопэнерго РФ О-10 «Разработка эффективных способов разупрочнения горного массива и подготовки его к выемке».

Целью диссертационной работы является установление характерных закономерностей физико-химического процесса разупрочнения углепородного массива диоксидом углерода, обоснование и разработка способов использования этого процесса при подземной разработке угольных месторождений.

Идея работы заключается в комплексных исследованиях эффективности применения углекислого газа для разупрочнения угля с использованием основ капилляроподобной конденсации углекислого газа в надмолекулярной структуре ископаемых углей для обоснования и разработки новых эффективных нетрадиционных способов управления состоянием углепородного массива в процессах подземной угледобычи.

В соответствии с целью и идеей в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Теоретическое моделирование массопереноса диоксида углерода в угольном пласте с учетом его физической адсорбции в угле.

2. Установление закономерностей влияния диоксида углерода на прочностные, физико-химические и электрофизические свойства ископаемых углей.

3. Моделирование напряженно-деформированного состояния углепородного массива на эквивалентных оптически-чувствительных материалах при воздействии диоксида углерода наугольный пласт.

4. Обоснование оптимальных режимов обработки угольного пласта диоксидом углерода и разработка элементов технологий управления состоянием углепородного массива для решения различных горнотехнологических задач.

5. Разработка комплекта оборудования для производства диоксида углерода, доставки и обработки угольных пластов при проведении шахтных работ и для дальнейшего использования в угольной промышлен-

ности при освоении новых способов управления состоянием углепородно-го массива.

6. Проведение шахтных экспериментов по исследованию изменения состояния углепородного массива при воздействии на него диоксида углерода.

7. Разработка способов разупрочнения углепородного массива диоксидом углерода для их использования при решении задач управления состоянием углепорордного массива и в технологиях нетрадиционной добычи угля подземным способом.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Применение газообразного диоксида углерода в качестве ра-зупрочняющего реагента с использованием явления фазового перехода сорбированного газа в угольном веществе позволило разработать новые физико-химические способы воздействия на углепородный массив, использование которых обеспечивает эффективное целенаправленное управление прочностными свойствами и напряженно-деформированным состоянием углепородного массива.

2. В диффузионном приближении массопереноса газового сорба-та в бипористой среде сорбента обоснована и детально проанализирована теоретическая модель процесса нагнетания в угольный пласт диоксида углерода через систему эквидистантных параллельных нагнетательных скважин, на основе которой качественно описаны наблюдаемые закономерности процесса его нагнетания и определены все характерные параметры этого процесса. На основе предложенной адекватной теоретической модели установлены зависимости, характеризующие интенсивность проникновения в угольный пласт диоксида углерода, которые определяются его диффузионной подвижностью в пласте и расстоянием между нагнетательными скважинами.

3. Установлено, что путем ослабления прочностных свойств угля при его разупрочнении диоксидом углерода можно эффективно уменьшать величину пучения почвы горной выработки. Получены аналитические зависимости, определяющие объемы пучения почвы и смещения контура горной выработки с учетом ползучести пород и образования области неупругих деформаций вследствие диспергирования угля диоксидом углерода, критерий диспергирования для различных марок угля.

4. Показатели изменения физико-механических характеристик угля диоксидом углерода:

- снижение прочности на растяжение образцов угля на 38-43% и существенное увеличение пластических деформаций в зависимости от цикличности обработки и характера нагружения;

- снижение прочности образцов угля, обработанных в режиме обобщенного растяжения на 73,4%, в режиме обобщенного сдвига на 60%, в режиме обобщенного сжатия на 34%.

5. Эффекты адсорбции молекул диоксида углерода на поверхности щелочноземельных металлов (кальция и магния), входящих компонентами в золу угля в форме карбонитного иона СО , состоящие в том, что процесс разупрочнения угольного вещества диоксидом углерода происходит интенсивнее с увеличением в его составе соединений СаО и Т^О и установленные с использованием метода ИК-спектроскопии.

6. Закономерности снижения на углях интенсивности линий спектров дифракции рентгеновского излучения с ростом содержания соединений СаО и М§0 для различных марок углей, подвергнутых разупрочнению диоксидом углерода, характеризующие изменения пластических свойств угольного вещества в зависимости от содержания в угле этих соединений.

7. Характерный эффект одновременного резкого изменения всех электрических свойств угля, вызванный конденсацией в нем сорбированного СОг, инициирующей необратимые структурные изменения углей. Качественно согласующиеся для разных марок углей температурные зависимости величины расклинивающего давления образующегося капил-ляролодобного конденсата диоксида углерода.

8. Снижение в 1,5-2 раза прочности угля в пласте в результате фазового перехода в сорбированном углем диоксиде углерода, послужившее основой для разработки эффективных способов разупрочнения угле-породного массива и позволившее при их использовании в промышленных условиях увеличить выход угольной массы с 60 % до 90% при отбойке угля длинными скважинными зарядами ВВ, а также снизить энергетические показатели при гидродобыче угля на 25-30%, рабочее давление в гидромониторах с 12 МПа до 7 МПа и уменьшить выход негабарита.

9. Полученные в промышленных условиях увеличение на 25-43% влажности угольного пласта, снижение его температуры на 1,5-2 °С, снижение концентраций напряжений на 30-50% при обработке удароопасно-го угольного пласта диоксидом углерода, соответствующие ситуации, в которой проявление удароопасности исключается.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов н рекомендадий подтверждается:

- физико-технической корректностью постановки и решения задач теоретического моделирования нагнетания в пласт диоксида углерода;

- экспериментальным подтверждением теоретически установленных закономерностей нагнетания в условиях капилляроподобной конденсации диоксида углерода в ископаемых углях;

- использованием апробированных методов испытаний прочностных и деформационных свойств горных пород, метода моделирования на оптически-чувствительных материалах, современных методов контроля физико-химических свойств горных пород (метод ИК-спектроскопии и рентгеновский качественный фазовый анализ);

- достаточным и статистически обоснованньм объемом и представительностью выполненных экспериментальных комплексных исследований в лабораторных, стендовых и натурных условиях;

- соответствием метрологических характеристик, применяемых в экспериментах приборов уровню поставленных научных исследований;

- удовлетворительной сходимостью, в пределах допустимых погрешностей, полученных теоретических и экспериментальных результатов;

- положительными результатами промышленной апробации разработанных способов.

Научное значение работы заключается в установлении основных физико-технических закономерностей процессов разупрочнения угля диоксидом углерода и использовании этих закономерностей для управления состоянием углепородного массива при решении различных горнотехнологических задач подземной разработки угольных месторождений.

Научная новизна работы;

1. Разработаны научные основы и методология разупрочнения углепородного массива диоксидом углерода на основе установленных закономерностей процесса диспергирования угля воздействием углекислого газа как эффективных способов управления состоянием углепородного массива при подземной разработке угольных месторождений.

2. Построена адекватная теоретическая модель процесса массо-переноса диоксида углерода, нагнетаемого в угольный пласт для его разупрочнения, с учетом сорбции диоксида углерода в поровом пространстве угля.

3. Исследованы взаимозависимости прочностных, деформационных и электро-физико-химических свойств углей при их циклической обработке углекислым газом в различных условиях механического на-гружения и установлены характерные фундаментальные закономерности процессов диспергирования угля диоксидом углерода.

4. На основе проведенных аналитических исследований и физического моделирования получены зависимости и расчетные величины объемов пучения почвы и смещения контуров горных выработок, подтвержденные шахтными экспериментальными замерами, теоретически обоснована и практически доказана возможность применения эффекта разупрочнения угольного пласта диоксидом углерода для борьбы с горными ударами, основанная на рассчитанных и подтвержденных натурными за-

мерами характерных изменениях величины концентрации напряжений в массиве, температуры и влажности угольного пласта при его обработке углекислым газом, а также получены количественные зависимости, характеризующие интенсивность распространения углекислого газа в угольном пласте, позволившие реализовать нетрадиционные технологии добычи угля.

Практическое значение работы заключается:

- в обосновании комплекса технических решений, повышающих эффективность способов и средств разупрочнения углепородного массива в процессах подземной добычи угля;

- в методиках инженерных расчетов параметров технологических воздействий на угольный пласт диоксида углерода;

- в разработке и создании комплекта оборудования для проведения производственных работ по управлению состоянием массива и добыче угля;

- в разработке способов разупрочнения углепородного массива для целей охраны горных выработок, борьбы с горными ударами и способов добычи угля при подземной разработке угольных месторождений.

Реализация результатов работы осуществлена;

- при разработке следующих отраслевых нормативных документов: "Временные технологические схемы разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения" и Инструкция по безопасному применению "Временных технологических схем разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения», "Руководство по ведению взрывных работ в угольных шахтах", "Рекомендуемые паспорта ведения буровзрывных работ для угольных шахт России";

- при разработке технологических заданий, технических условий на оборудование и опытные участки для проведения шахтных работ;

- при разработке и испытаниях комбинированного способа гидродобычи угля с использованием диоксида углерода;

- при разработке и использовании способов управления состоянием углепородного массива для целей охраны горных выработок и борьбы с горными ударами;

- при разработке и испытаниях нетрадиционной технологии добычи угля из крутых пластов с предварительным разупрочнением угля диоксидом углерода.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на:

- VI Всесоюзном семинаре по горной геомеханике (Пермь,

1993);

- X Международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993);

- 8-й Международной конференции по наукам об угле (Испания, Овьедо, 1995);

- 2-й Международной конференции «Экология и развитие Северо-Запада России» (Санкт-Петербург, 1997);

- 9-й Международной конференции по наукам об угле (Германия, Эссен, 1997);

- 2-м Международном рабочем совещании «Проблемы геодинамической безопасности» (Санкт-Петербург, 1997);

- Научном Симпозиуме «Неделя горняка - 98» (Москва, 1998);

- 8-й Международной конференции по геологии угля (Прага,

1998).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано самостоятельно и в соавторстве 26 работ, в т.ч. 4 брошюры, 3 отраслевых нормативных документа и 2 патента РФ.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и содержит 265 стр. текста, в том числе 58 рисунков, 14 таблиц, 7 приложений и список литературы из 173 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблема подготовки угольного пласта к экономически-целесообразной выемке заключается в целенаправленном изменении свойств угля, снижении его прочностных и деформационных свойств, приводящих к уменьшению сопротивляемости разрушению и удельных затрат энергии на разрушение и позволяющих обеспечить эффективность традиционных процессов и технологических приемов разрушения и извлечения угля.

Известные способы разупрочнения углей в массиве, используемые или предназначенные для использования при геотехнологической разработке угольных месторождений в соотвествии с классификацией РАН подразделяются на следующие группы: химические методы, приводящие к изменениям в химическом составе и строении угля (включая биохимические методы); физико-химические методы, предусматривающие использование явлений на межфазных границах; комплексные, объединяющие как первые две группы, так и возможные дополнительные, например, взрывные или механические воздействия.

Наиболее изученными и практически апробированными методами предварительного разупрочнения углепородного массива являются методы физико-химического разупрочнения, в основу которых положен эф-

фект адсорбционного понижения прочности твердого тела (эффект Ребин-дера) в результате протекания на его поверхности диффузионно-химических процессов, приводящих к понижению поверхностной энергии тела.

Введение в угольный пласт жидкого разупрочняющего реагента приводит к протеканию различных процессов фильтрации, смачивания, капиллярной конденсации, адсорбции, массопереноса и целого ряда электрокинетических явлений.

Большой вклад в развитие этого направления внесли: Е.И. Шемякин, Н.Ф. Кусов, А.Д. Алексеев, A.C. Вествуд, Ю.В. Горюнов, Б.В. Деря-гин, Г.Я. Воронков, Н.В. Ножкин, Н. В. Перцов, Л.П. Шоболова, Р.М Штейнцайг, Е.Д. Щукин, O.A. Эдельштейн.

Использование для разупрочнения углепородного массива растворов ПАВ имеет свою область применения, которая для ряда горнотехнологических задач ограничена значительным временем пропитки массива, и которую можно существенно расширить, используя в качестве разупрочняющего реагента газ.

Применение реагентов в виде газов позволяет уменьшить энергозатраты при нагнетании и достичь большего эффекта на единицу объема угля за счет того, что газы проникают в более мелкие поры и площадь реакции оказывается больше, чем в случае нагнетания жидкостей. Это соображение оказывается весьма весомым для разработки целого ряда способов разупрочнения угля в пласте, основанных на использовании последствия явления капилляроподобной конденсации в угле сорбирующихся газов.

Суть этих способов состоит в использовании явления физико-химического разупрочнения угля, происходящего при конденсации в его микропорах сорбированного газа или смеси газов. Разупрочняющая уголь конденсация газа по характеру капилляроподобна, поскольку происходит вблизи или ниже критической температуры Ткр сорбированного газа при давлении Рраз, которое заметно ниже критического давления газа. При соблюдении термодинамических условий Т < Т,ф и Р > Рраз в микропористой структуре угля образуются жидкофазные включения сорбата, сходные с очень тонкими пленками или прослойками, которые в объеме угля представляют систему большого числа мелкодисперсных частиц. Происходящая в угле конденсация относится к капиллярным явлениям второго рода, т. к. размеры жидкофазных частиц из вещества сорбата сравнимы с радиусом действия поверхностных сил. В дисперсных системах между твердофазными и жидкофазными компонентами возникают электрические неоднородности типа двойных электрических слоев. Именно электрический фактор стабилизирует положительное расклинивающее давление в тонких пленках, действием которого можно объяснить разрушение пористой

структуры угля, т. е. его разупрочнение. Величина расклинивающего давления в несколько (более 10) раз превосходит величину давления Рраз. Поскольку угольный пласт, как правило, содержит сорбируемый углем газ, необходимо учитывать давление последнего Рпл при определении давления Р'пл газа, нагнетаемого в пласт для его разупрочняющей обработки. Величину давления Р'^, определяют после достижения при Ткр величины давления Рраз путем изменения температуры газа от Ткр до температуры пласта Тпл, при этом давление газа изменяется от значения Рраз до значения Рл ш,. Нагнетание газа в пласт требуется в том случае, если Рпл< Р\1Л, а если Рпл г Р'пя, то достаточно охладить пласт до температуры, равной или меньшей критической Ткр, что вызовет конденсацию сорбированного газа и последующее за ней разупрочнение угля.

Характерным свойством строения всех ископаемых углей является их достаточно развитая поверхность. Соответственно, свойства угля существенно определяются поверхностными силами, что проявляется, например, в его сорбционной активности. Она была и остается предметом систематических исследований, применительно к условиям взаимодействия угля с газами, поскольку именно с этими случаями чаще всего приходится сталкиваться практически.

Процессы сорбции газов в угле состоят из абсорбции его вещества в трещиновато-пористом объеме угля и из адсорбции этого вещества на поверхности.

Закономерности сорбционного деформирования углей тесно связаны со строением пористого сорбирующего объема, в связи с чем в работе поставлена и решена задача построения модели пористого объема и выявления его особенностей, проявляющих себя в тех или иных физико-химических процессах.

Массоперенос газа в углях как при низких, так и при высоких давлениях лимитируется теми участками трещиновато-пористой структуры, которые, с одной стороны, сравнительно легко доступны для сорбируемых молекул, а с другой - хотя бы по одному из своих измерений имеют протяженность, не превышающую радиуса действия поверхностных сил (нередко он сопоставим с линейными размерами отдельных молекул). Элементы пористой структуры такого рода ответственны за набухание углей в квазиравновесных состояниях. Различаются два механизма разупрочнения углей при сорбционном набухании: механизм «растворения» (образование твердого раствора уголь - метан) и механизм действия капиллярных сил. При этом набухание углей считается последствием действия «расклинивающего давления», возникающего при наложении сорбционных слоев и раздвигающего ограничивающие их поверхности.

Дисперсной структуре ископаемых углей свойственны многочисленные разрывы сплошности, объем каждой из которых в существенной своей

части перекрыт полями поверхностных сил, поэтому эти поля оказывают влияние на фазовые превращения в системах, находящихся под их воздействием. Это влияние выражается в том, что заметно понижается давление равновесия двухфазной системы газ-жидкость, состоящей из сорбированного вещества. При этом образующиеся в соответствующих условиях жидкофазные группировки сорбированных молекул, в структурном отношении представляющие собой частицы капилляроподобного конденсата, являются весьма эффективными поверхностно-активными понизителями прочности. Под воздействием такого конденсата происходит настолько интенсивное дезагрегирование угольного вещества, что в результате оно переходит в состояния, достаточно близкие к сыпучему. Давление свободного газа, с достижением которого происходит конденсация, определяется химической природой сорбата и строением тонкой структуры пористого пространства сорбента.

Ранее проведенные исследования, вызванные необходимостью изучения причин внезапных выбросов в газонасыщенных пластах, показали, что ископаемые угли - хорошие естественные сорбенты по отношению к углекислому газу. В порядке увеличения сорбционной активности газы располагаются в ряд: гелий, водород, азот, метан, углекислый газ, т.е. СОг обладает наибольшей сорбционной активностью. При этом напряженное состояние массива и содержание метана в нем не влияют на величину сорбции С02 углем. Сорбционная емкость угля по диоксиду углерода в 3 раза больше, чем по метану.

Диоксид углерода С02 - широко распространенный в природе естественный компонент атмосферы. Его термодинамические свойства уникальны для практической реализации. Для диоксида углерода характерны низкая критическая точка 0= 31,05 °С и Р = 7383 кПа) и высокая тройная точка равновесия между твердой, жидкой и газообразной фазами (1= -56,57 °С иР = 518,6 кПа).При критической температуре (31,05 °С) жидкость и пар имеют одинаковую плотность и граница раздела фаз исчезает. Жидкий С02 при резком снижении давления (ниже тройной точки) превращается в белые, твердые кристаллы и пар. При атмосферном давлении температура твердого С02 - минус 78,47 °С. При атмосферном давлении кристаллы С02 сублимируются, т.е. превращаются в газ, минуя жидкую фазу. Жидкий диоксид углерода является бесцветной жидкостью, существует только под давлением при соотвествующей температуре. При сбросе давления переходит в бесцветный тяжелый газ, в полтора раза тяжелее воздуха, без запаха и вкуса. Жидкий диоксид углерода имеет относительно небольшую вязкость, зависящую от давления и температуры.

Одним из основных физико-химических свойств диоксида углерода при контакте с влажным углем является его растворимость в воде и воды в нем. Газообразный диоксид углерода сравнительно хорошо растворяется в

воде, при температуре 20 °С и давлении 1000 кПа растворяется 15,0 г/л; с понижением температуры и одновременньм повышением давления его растворимость в воде увеличивается.

Диоксид углерода - химически инертен в том отношении, что не горит и не поддерживает горение. Диоксид углерода хорошо удерживается углями, это подтверждают исследования сорбции и остаточной газоносности высокометаморфизированных антрацитов Восточного Донбасса.

Степень разупрочнения угля диоксидом углерода зависит от величины расклинивающего давления в тонких пленках сорбата, возникающих при капиллярной конденсации в порах угля. Величину этого давления П можно приближенно оценить, используя теорию Б.В.Дерягина:

П = - (RT/V) 1П (Рраз/Рв), где Рв- давление насыщенного пара; Ррщ - давление, при котором происходит капиллярная конденсация; V - молекулярный объём; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура. Используя табличные значения для СО^: V= 108 см3/моль; Рв s 5,2 МПа и измеренное Рраз s 2,1 МПа при Г= 289 К, получаем величину П s 20 МПа. Таким образом, нагнетаемый под давлением 2,1 МПа газообразный диоксид углерода формирует в порах угля расклинивающее давление порядка 20 МПа.

Приведенные соображения позволяют считать способы разупрочнения угля в пласте, основанные на использовании явления капилляропо-добной конденсации диоксида углерода в надмолекулярной структуре угля перспективными для практического использования в угольной промышленности.

Технологическая реализация процессов разупрочнения угля в пласте требует разрешения ряда принципиальных вопросов. Один из наиболее важных среди них связан с выбором оптимального режима нагнетания диоксида углерода в угольный пласт через систему параллельных эквидистантных скважин, определяющего длительность нагнетания, расстояния между скважинами, время дегазации и т.п. Поиск ответов на эти вопросы невозможен без обоснованного выбора адекватной модели массопереноса вещества С02 в угольном пласте.

Существование этой проблемы связано с тем, что до настоящего времени эффект разупрочняющего действия на уголь капилляроподобной конденсации насыщающих газов исследовался, в основном, в лабораторных условиях.

Исследование процесса нагнетания газа в существено большие объемы угольного вещества (углепородный массив) с целью его разупрочнения является самостоятельной важной задачей, без решения которой невозможны обоснование и разработка соответствующих промышленных технологий.

Обоснование технологических условий нагнетания газа в угольный пласт, в свою очередь, должно опираться на представления об особенностях структуры угольного пласта, существенных для процессов массопе-реноса в нем нагнетаемого газа. Формулировка этих представлений в виде уравнений, адекватно описывающих миграцию газа в угольном пласте с учетом свойств ее симметрии является самой важной постановочной частью задачи о протекании этого процесса. Ее решение является необходимым составным элементом обоснования количественных показателей процесса нагнетания газа и определяющих условия выбора требуемых технологических режимов.

Процессы фильтрации, как правило, описываются нелинейными уравнениями, решения которых для целого ряда практических задач весьма затруднительно. В работе сформулирована более простая диффузионная задача фильтрации нагнетаемого газа в угольном пласте, рассматриваемом как бипористая среда. Одной из фаз этой среды являются частицы газа, а другой - твердые скелеты угольного вещества, причем эти фазы являются взаимопроникающими и взаимодействующими друг с другом в пространстве каждого элементарного макрообъема. При этом считалось возможным перетекание жидкости или газа из одной системы пор бипо-ристой среды в другую.

Предполагалось также, что каменноугольные пласты, имея толщину от нескольких дециметров до нескольких метров, ограничены параллельными газонепроницаемыми плоскостями и, соответственно, фильтрация газа в такого рода угольном пласте считалась плоскопараллельной и описывалась уравнениями диффузии в бипористых сорбентах с постоянными коэффициентами диффузии и с лимитирующей ролью диффузии по транспортным порам. При предположениях локального равновесия состояний сорбата в разных типах пор, отсутствия его накопления на границах раздела компонент угольного вещества различной пористости, линейности взаимосвязи потока сорбата на этих границах с концентрацией сорбата в транспортной системе, было получено уравнение для концентрации сорбата в транспортной системе угольного пласта С ( г, I ) следующего вида:

= ВГ2С(у,0~ /?(ОС(у,О.

В нем I - время, г - расстояние от рассматриваемой точки пласта до оси нагнетательной скважины, Б- коэффициент диффузии, Т -температура, /?(0~ коэффициент, характеризующий интенсивность перетока сорбата из транспортной системы в мелкопористые блоки, которая также принималась независящей от времени.

Для решения этого уравнения в задаче о нагнетании газа в угольный пласт применен метод ячеек (метод Вигнера-Зейтца), позволивший опре-

делить граничные условия (условия на границах ячеек). Начальное условие выбрано согласно предположению о пренебрежимо малой концентрации диоксида углерода в пласте до его нагнетания, что соответствует данным о содержании углекислого газа в угольных пластах стран СНГ. Путем решения поставленной математической задачи определялась оптимальная величина расстояния между соседними скважинами - главный параметр технологии разупрочнения и был найден алгоритм оценки этой величины.

Для решения уравнения диффузии с выбранными граничными условиями применено преобразование Лалласса по времени, с помощью которого и получены точные решения, описывающие закономерности расхода газа в нагнетательных скважинах.

Для начала процесса нагнетания установлено, что зависимость расхода газа 6(0 от величины 41 линейна:

Для стадии приближения к стационарному режиму газонасыщения расход становится линейным по t.

На рис. 1 представлены экспериментальные данные расхода СОг в зависимости от времени. Видно, что типы экспериментальных зависимостей совпадают с теоретически предсказанными (аномальная зависимость № 5 имеет происхождение, обусловленное техническими неполадками при проведении натурного эксперимента). Это совпадение свидетельствует об адекватности предложенной теоретической модели массопереноса диоксида углерода в угольном пласте и, тем самым, о правомерности использования предложенной модели для определения оптимальных режимов и геометрии нагнетания, а также для расчета всех характерных параметров этого процесса.

На следующем этапе рассматривались закономерности изменения свойств угольного пласта при воздействии на него диоксида углерода. Эти вопросы включали исследования прочностных, деформационных и электрофизико-химических свойств угля, подвергаемого разупрочняющему воздействию диоксида углерода.

Для установления механизма и закономерностей физико-химических процессов, происходящих в угле при воздействии на него диоксида углерода образцы углей марок Ж, К, Д и А, взятых с участков, где планировались или проводились экспериментальные работы по разупрочнению угольного пласта, были изучены методами ИК- спектроскопии и рентге-ноструктурного анализа.

При анализе полученных ИК-спектров поглощения были определены спектры веществ, в которых после проведенного газового диспергирования углей появляются новые полосы поглощения. Этими веществами оказались оксиды щелочноземельных металлов: кальция (СаО) и магния (М§0), входящих компонентами в минеральную часть угольного вещества. Соединения, образованные на поверхности оксидов Са и по зна-

Рис. 1. Экспериментальные зависимости количества поглощенного газа (О) от времени (0 на средпих (а) и малых (б) временах; №1 - №6 - номера экспериментов

чениям частот близки к С02 группе, на которой сосредоточен заряд -2 и такой группой является ион С022", образующийся в результате взаимодействия адсорбированных молекул С02 с координационно - насыщенными ионами Са и на поверхности. По аналогии с нитритами, сульфитами и другими анионами, в которых валентность центрального атома на две единицы ниже максимально возможного значения, соединения С022" названо «карбонитным ионом».

Установлено, что адсорбционные центры, ассоциированные с соединениями 1^0 и СаО отличаются по силе взаимодействия с молекулами СО: взаимодействие с центрами первого типа заметно сильнее, чем с центрами второго.

Для качественного подтверждения результатов ИК-спектроскопических исследований, выявивших существенную роль в адсорбции углем молекул С02 минеральной части угольного вещества были проведены рентгеноструктурные исследования изменений свойств при взаимодействии с молекулами С02 самых активных компонентов минеральной части - соединений СаО и М§0.

Из рис. 2-3 видно, что после обработки образцов угля диоксидом углерода наблюдается уменьшение интенсивности линий и смещение максимума интенсивности самой сильной линии по углу скольжения дифракционного спектра рентгеновского излучения. Это свидетельствует о необратимых изменениях структуры материала, а именно, о переходе от упорядоченной структуры к аморфной, т. е. о пластификации материала.

Полученные результаты показали, что помимо эффекта конденсации диоксида углерода в поровом пространстве угля при осуществлении фазового перехода в сорбированном углем газе существенный вклад а необратимое изменение свойств угля вносит также химическое взаимодействие молекул С02 с оксидами СаО и М^О в минеральной части угля.

Для оценки влияния напряженного состояния угля на изменение характера процесса диспергирования были проведены исследования механических свойств образцов угля, находящихся в условиях сложного напряженного состояния.

Изменяя значения главных напряжений на экспериментальной установке задавали различные значения параметра Надаи-Лоде ¡л (-1Д+1), соотвествующие состоянию обобщенного растяжения, сдвига и сжатия со-отвественно.

После создания на установке соотвествующего вида нагружения образцы обрабатывались диоксидом углерода, в дальнейшем измельчались методом толчения и подвергались рассеву, при этом критерием оценки эффективности обработки углей диоксидом углерода был выбран процент

я

■е- N 2 Я?

се д

и ^

ё I

р а

в р

к I

>8 А я Э а ^

Относительная интенсивность линий спектра

Си

I

А)

Л §

уголь обработан диоксидом уегврода

V

узсль и» обработан

£

о

узопь обработан диатидоы уйпврода

у£шь не обрябстАн

1\3

О

3 я ^ Р

3 ^ £ " § в

II

я 2

я а

» о

Я и

о §

1 в« 2

—— О СО о 3 0> о

¡1 ¡1

1 ц 1 §1 о а И £ О ш

1 ,'у 1 || 3 я Iе 0 1

(1 _. 1 к р |\ < / )

г г . — § СО 7 о го 0 1 1Г Ц. -

о \

\ 1

5* Е

увеличения выхода мелких фракций в образцах, обработанных С02 по сравнению с необработанными образцами.

В табл.1 представлены обобщенные результаты испытаний для 3-х характерных режимов нафужения образцов, из которых видно, что вид напряженного состояния угля значительно влияет на изменение его прочностных свойств, так увеличение выхода мелкой фракции угля свидетельствует о потере прочности и произошедших необратимых процессах разрушения в структуре угля.

Таблица 1

Зависимости снижения прочности образцов углей при их обработке диоксидом углерода от вида нагружения

Классы Выход классов крупности, %

крупно- Сжатие Сдвиг Растяжение

сти, мм 7обр{ Гк К2 Гобр2 К2 Гобр3

+0,315 88,6 82,6 - 97,9 94,9 - 97,9 92,1 -

0,2-0,315 3,6 5,6 39,0 1Д 1,9 42,1 1,0 2,7 63,0

0,1-0,2 3,7 5,7 35,1 0,5 1,6 68,7 0,6 2,7 77,8

-0,1 4,1 5,8 29,3 0,5 1,6 68,7 0,5 2,5 80,0

Итого: 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0

Кср 34,5 59,8 73,4

где:

у^ - у ^ - выход фракций (%) в контрольных необработанных образцах; 7 обр ' ^обр ' выход ФРакЦИЙ (%) после обработки угля диоксидом углерода; К . К^ - коэффициент снижения (%) прочностных свойств угля.

Образцы угля до и после обработки их диоксидом углерода прозвучи-вали на ультразвуковой установке с целью регистрации изменения скорости распространения упругой продольной волны.

Было отмечено, что после обработки скорость распространения продольной волны уменьшилась в образцах в 1,3-1,5 раза, что является косвенным доказательством увеличения трещиноватости образцов, т. е. потери сплошности.

Проведенные ИК-съемки микрошлифов образцов угля до и после обработки их диоксидом углерода и анализ полученных качественных картин позволили установить значительное увеличение вторичной поверхности веществ, образующих структуру угля (так, для угля марки Д наблюдалось увеличение вторичной поверхности в 4 раза, для угля марки КС - в 2 раза, для угля марки А - в 1,4 раза), что также подтверждает эффективность разупрочнения угольного вещества диоксидом углерода.

Для оценки процессов, происходящих в угольном веществе при его обработке углекислым газом были проведены в статистически обоснованном количестве эксперименты по изучению прочностных и деформационных свойств угля.

Испытания проводились в различных режимах обработки угля диоксидом углерода:

- режим, в котором пробы обрабатывались углекислым газом при Р=3 МПа в течение 30 мин;

- режим, в котором вначале в течение 30 минут пробы обрабатывались при Р=3 МПа, а затем давление сбрасывалось до нуля, после чего снова доводилось до ЗМПа с выдержкой 15 мин;

- режим, в котором вначале давление газа доводилось до 3 МПа и плавно в течение 5 мин снижалось до 2 МПа, а затем в 5-ти циклах давление вновь повышалось до 3 МПа и плавно в течение 5 мин снижалось до 2 МПа, при этом общее время обработки составило 30 минут.

Получен большой объем экспериментальных данных, наиболее характерные результаты которых следующие:

- средняя прочность на растяжение уменьшается по всем 3-м режимам на 39-43%;

- среднее значение модуля упругости Е увеличивается от серии к серии с 0,75 до 2,2;

- модуль полной деформации Д изменяется последовательно от 5,58 до 7,37- 1,75 -3,42 в последующих сериях;

- модуль остаточной деформации снижается в 2,33 раза, затем в 24 раза, а затем в 14 раз;

- доля упругой деформации в общей снижается с 75,9 % до 3,8 %, что указывает на резкое возрастание роли пластических свойств угля.

Возникновение в газонасыщенном угле жидкофазных включений (диспергированного конденсата) проявляется в резком снижении подвижности носителей тока в таких системах, что является диагностическим признаком произошедшей капилляроподобной конденсации. В связи с этим были осуществлены систематические исследования электрофизических свойств различных марок угля, которые установили, что электрофизические параметры являются чувствительными к характерным особенно-

стям реакции надмолекулярной структуры углей на разрушающее воздействие на нее явления конденсации углекислого газа в пористом пространстве угля. На всех марках углей соответствующий эффект резкого возрастания электросопротивления и снижения электропроводности был обнаружен, причем начало этого характерного изменения оказалось приходящимся на диапазон газового давления 2,8-4МПа.

Было установлено, что при обработке углей различных марок углекислым газом предел прочности образцов снижался, если с помощью электрофизических характеристик было зафиксировано образование капиллярного конденсата диоксида углерода.

Для получения и последующей натурной проверки конкретных значений параметров шахтных технологических процессов было проведено физическое моделирование поведения выемочных выработок в различных горно-геологических и горно-технологических условиях.

Известно, что основой обеспечения длительной устойчивости вмещающего угольный пласт массива, а следовательно и выемочных выработок является проведение охранных мероприятий в зонах влияния очистного забоя на различных стадиях отработки, что может быть достигнуто комбинацией способов заблаговременного разупрочнения угольного пласта со средствами охраны, устанавливаемыми позади лавы.

По методике ИГД им. А.А. Скочинского было проведено моделирование напряженно-деформированного состояния углепородного массива на моделях из оптически-чувствительных материалов.

Схема моделирования базировалась на следующих горногеологических и технологических параметрах отработки: кровля и почва пласта представлены крепкими или средней крепости породами, средняя вынимаемая мощность пласта - 2 метра, размеры оставляемых целиков 5 и 10 метров, ширина зоны диспергирования меняется дискретно от 2 до 6 и 10 метров, соотношения модулей упругости пород кровли и угольного пласта Еп/Еу=7, ненарушенного и диспергированного угля Еу/Ед=2.

В результате физического моделирования получены закономерности изменения напряженного состояния массива горных пород вокруг выемочной выработки после разупрочнения угольного пласта, представленные в виде концентраций напряжений. Установлено, что после разгрузки массива путем диспергирования его диоксидом углерода происходит снижение в 1,3-1,5 раза величины напряжений в кровле, на контуре выработки и смещение их максимальных значений вглубь массива на расстояние, равное 5-7 кратной мощности пласта (рис.4-5). При наименьших значениях ширины зоны диспергирования и целика из необработанного

lern Rem (/im

Рис. 4. Распределение напряжений в вертикальных сечениях кровли при длине угольного целика I=10м; п - дайна зоны диспергирования угля диоксидом углерода.

/ ь.

. — --

- —1- — —1 1 —1 —1

1,6 1,4 1,2 1,0

7 6 5 4 3 2 1

! __

N V Ч>

1

9 8 7

2м

6м

Юм

Юм

5 4 3 2 1

1,6 1,4 1,2 1,0

— — П=0м п-2м

л=6м п=10м

Рис. 5. Распределение напряжений в горизонтальных сечениях кровли при длине угольного целика /=10м; т - порядок полос на модели.

диоксидом углерода угля достигаются наилучшие условия для сохранения выработок.

Как было установлено в результате моделирования, применение отсечных скважин в комбинации с диспергированием угольного пласта диоксидом углерода позволяет снизить величину концентраций напряжений в породах кровли над оставляемым целиком со стороны выемочной выработки в 1,5-3 раза, при этом напряжения на контуре выработки снижаются почти 2 раза, а расстояние между скважинами для диспергирования должно выбираться таким образом, чтобы ширина межскважинных целиков (расстояние между зонами диспергирования вдоль оси выемочной выработки) составляла (0,5-1,0) т,'где т - мощность пласта.

Результаты проведенных аналитических исследований, физического моделирования и экспериментальных работ позволили убедиться в эффективности применения углекислого газа для разупрочнения угольного вещества и перейти к практическому использованию выявленных закономерностей.

Решение практических вопросов управления напряженно-деформированным состоянием массива горных пород является основным в технологии разработки угольных пластов и позволяет обеспечить разгрузку приконтурного массива горных выработок с целью снижения уда-роопасности, сохранения повторно используемых выработок, предотвращения интенсивности пучения почвы поддерживаемых выработок и т. д.

Первая серия натурных экспериментов по применению эффекта фазового перехода в сорбированном углем диоксиде углерода для использования в шахтных производственных процессах была проведена на шахтах ОАО «Ростовуголь» с целью управления напряженно-деформированным состоянием массива для охраны горных выработок.

В решение известной задачи об объеме пучения, выполненной на основе механики сплошных сред было введено понятие величины, учитывающей влияние зоны диспергирования угля в пласте, которая выполняет роль своеобразного демпфера, поглощающего часть нагрузки вышележащих слоев пород. Эта безразмерная величина связывает коэффициент снижения интенсивности пучения для различных марок угля, критическое значение давления нагнетаемого диоксида углерода и модуль упругости для данной марки угля.

Были получены аналитические зависимости для определения объемов пучения на 1 м почвы и величина смещения контура выработки с учетом диспергирования угольного пласта диоксидом углерода.

Многочисленные шахтные эксперименты подтвердили высокую сходимость расчетных данных и фактических значений полученных смещений (рис.6). Максимальные значения относительной погрешности не превышали по всему объему обработки 15%.

Улш

500

400 300 200 100 О

1 -- а ■О— ю

/И 1 Г-- >

г

-о/ /

Л ___V 1 Л Ьг-

АГ

14

22

48 сут

У,мм

Рис. 6. Экспериментальные зависимости снижения величины пучения почвы (а) и смещения контура выработки (б) при обработке угольного пласта диоксидом углерода;

до обработки диоксидом углерода ----после обработки диоксидом углерода

Получив экспериментальные данные по снижению объемов пучения и, зная данные лабораторных исследований по определению критической величины давления нагнетаемого реагента, были определены значения коэффициента снижения интенсивности пучения пород почвы для различных марок угля.

Следующая серия натурных экспериментов была проведена на ш. Заполярная ОАО «Воркутауголь», в вентиляционном штреке лавы 114-С пласта Четвертого, который находился в зоне влияния ПГД от краевой части пласта Тройного на глубине 610 метров и был отнесен к угрожаемым по горным ударам.

Работы по испытанию технологии диспергирования проводились на двух экспериментальных участках вентиляционного штрека и один эксперимент проведен непосредственно в очистном забое и их основной задачей являлась оценка эффективности применения технологии разгрузки угольного пласта диоксидом углерода, а также технологии нагнетания и предварительно обоснованных параметров расположения разгрузочных скважин.

В процессе бурения скважин и обработки угольного пласта диоксидом углерода по методикам ВНИМИ в течение всего времени проведения экспериментальных работ (15 суток) контролировались температура, влажность, выход штыба и рассчитывались величины концентраций напряжений в массиве. Схема расположения и параметры нагнетательных скважин и контрольных шпуров представлены на рис.7.

Было установлено, что обработка угольного пласта диоксидом углерода приводит к снижению температуры угольного пласта на 1,5-2 °С, повышению его влажности на 25-43%, снижению концентраций напряжений на 30-50% в зависимости от удаленности линии очистного забоя. Замеры сопротивляемости внедрению скважинных инденторов показали снижение этого параметра с 7,2 МПа до 3,6 МПа, т. е. получено 50% снижение прочности угля.

Полученные результаты позволили констатировать снятие категории удароопасности обработанного угольного пласта «Четвертого».

Следующая серия экспериментальных работ проводилась на шахтах ОАО «Прокопьевскуголь» и была направлена на использование процесса фазового перехода в сорбированном угольным пластом диоксиде углерода для разупрочнения и подготовки угля в пласте к выемке в различных технологических схемах добычи.

Шахтой «Зименка» ОАО «Прокопьевскуголь» отрабатывается система разработки мощных крутых пластов блоковым обрушением с отбойкой угля взрывом массовых длинноскважинных зарядов. При этой системе отбойка угля ведется веерами длинных скважин, обуриваемым снизу вверх из специальных выработок, причем в нижней части блока скважины имеют высокую частоту заложения, а в верхней части блока концы скважин отстоят на значительном расстоянии друг от друга. При отбойке угля это приводит к переизмельчению угля внизу блока и выходу негабарита в верхней части.

<1

/ 6* г

7к

Ж

«М

.2,8

г)

ЗК

2к

1к 6

_3,0

4к

/.з

г,5,

Вентиляционный штрек 114-с

-2Л

о,в

2,1

а)

г,ни г-з

10-14

0-1.2 0,4-1,5

1,4 0.3-1,0 0,5-4,0 1,1 ',2

ТШ

ш

Пл.Троинои Алевролит

Песчаник

(0СЖ • 75-120 МПа)

Алиролит (осж-Э2-5й МПа]

Аргиллит (йсж = Л МПа)

Пл. Четертии Арьиллит

Песчаник (<1СЖ - 50 МПа)

Алевролит

Пбсчаник

Рис. 7, Характеристика вмещающих пород (а), геологический разрез (б), схема расположения (в) и параметров (г) нагнетательных скважин (1-6) и контрольных шпуров (1к-7к) на Экспевименталыюм участке ш. Зименка ОАО «Вапклтаугпль»

Целью испытаний на шахте технологии разупрочнения угольного массива диоксидом углерода явилась отработка параметров, обеспечивающих повышение эффективности очистной выемки крутых пластов принятой системой.

Схема добычного участка и параметры заложения скважин представлены на рис. 8.

Проведенное разупрочнение позволило увеличить выход угля при его отбойке принятым способом с 60 до 90% , при этом значительно уменьшился выход негабарита, вес зарядов ВВ уменьшился на 35% и участковая себестоимость добытого угля снизилась в 2,5 раза.

Технология гидродобычи на ш. «Тырганская» ОАО «Прокопьевск-уголь» осложняется тем, что уголь пласта «Мощный» имеет прочность ио М.М. Протодъяконову до 3 и шахтные гидромониторы не могут эффективно размывать его. Для предварительной подготовки пласта применяется разупрочнение угольного пласта взрыванием камуфлетных зарядов ВВ, что для категорийной шахты, каковой является ш. «Тырганская», небезопасно.

Проведенные испытания разработанных способов предварительного разупрочнения угольного пласта, как диоксидом углерода, так и комбинированным способом, включающим в себя после закачки в скважину диоксида углерода последующее нагнетание в нее воды до наступления гидроразрыва пласта, позволили снизить прочность угля в пласте в 2 раза в радиусе до 4 метров от нагнетательной скважины, снизить рабочее давление размыва в шахтных гидромониторах с 12,0 до 7,0 МПа и уменьшить выход негабарита.

Приведенные выше шахтные эксперименты по разупрочнению угольных пластов диоксидом углерода проводились с использованием разработанного и изготовленного комплекса шахтного оборудования по производству и доставке углекислого газа, которое прошло необходимые межведомственные испытания и допущено к работе в категорийных угольных шахтах.

Рис. 8 Схема добычного участка ш. «Зименка» ОАО «Прокопьевскуголь», параметры заложения взрывных скважин и шпуров для нагнетания СОг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе комплексного исследования и использования характерных закономерностей сорбции ископаемым углем диоксида углерода и воздействия его капилляроподобной конденсации в надмолекулярной структуре угля, проявляющихся в снижении прочности и возрастании роли пластических свойств угольного вещества, решена научная проблема обоснования и разработки способов разупрочнения угле-породного массива с использованием в качестве разупрочнятощего реагента углекислого газа.

Решение этой проблемы помимо научного значения, состоящего.в расширении знаний о физико-химических процессах, обусловленных взаимодействием углей с газами, имеет также важное практическое значение, поскольку обеспечивает эффективное и целенаправленное управление свойствами и состоянием углепородного массива, совершенствование технологий подготовки угольных пластов к экономически-целесообразной выемке угля и проведения охранных мероприятий в угольных шахтах.

Основные научные результаты и выводы:

1. Разработанные способы разупрочнения угольного пласта с использованием эффекта разупрочнения угольного вещества капилляроподобной конденсацией нагнетаемого в пласт диоксида углерода позволяют целенаправленно управлять напряженно-деформированным состоянием углепородного массива и осуществлять эффективную подготовку угольного пласта к экономически-целесообразной выемке угля.

2. С использованием представлений о строении угольного вещества как бипористой среды обоснована и построена адекватная теоретическая модель процесса нагнетания в угольный пласт разупрочняющего реагента (СОг), решение уравнений которой позволило получить зависимости от времени расхода газа в эквидистантных параллельных скважинах. Управляющими параметрами этих зависимостей являются расстояния между соседними скважинами и подвижность нагнетаемого реагента, выбором которых и определяется эффективность процесса нагнетания.

3. Установлено, что насыщение угля сорбирующим газом, сопровождающееся его капилляроподобной конденсацией в надмолекулярной структуре угля приводит к изменению прочностных свойств угля и качественным изменениям характера деформаций в процессах механического нагружения, которые тем существеннее, чем выше сорбционная способность насыщаемого газа и, особенно, при вариациях нагружения (различные виды напряженно-деформированного состояния) и насыщения углей газом (цикличность в подаче и отключении газа).

Явления сорбционного понижения прочности и разупрочняющего действия процессов конденсации поглощенного газа в элементах тонкой структуры трещиновато-пористого объема угля приводят к активному дезагрегированию угольного вещества и после соотвествующей обработки угольного пласта существенно снижает либо усилия механического резания, либо давление гидравлического воздействия, либо мощность взрывного воздействия для извлечения угля.

Обследование фотографий ИК-съемки микрошлифов различных марок углей показало, что после обработки их С02 происходит возрастание фотографируемой поверхности до 4 раз, что качественно подтверждает происходящий необратимый процесс диспергирования угля при воздействии на него углекислым газом.

4. В дополнение к известному механизму разупрочнения угольного вещества при капилляроподобной конденсации в нем сорбированного газа выявлен новый механизм разупрочнения, связанный с хемосорбци-ей молекул С02 на поверхности оксидов щелочноземельных металлов (СаО и 1У^0), входящих компонентами в минеральную часть углей, сопровождающийся образованием карбонитных ионов СО2"" и приводящий к необратимой пластификации структуры угля.

5. Выявлены характерные особенности изменения электрофизических свойств угля в зависимости от газового давления в изотермическом процессе нагнетания в уголь диоксида углерода, сопровождающиеся его капилляроподобной конденсацией, и приводящие к поляризации газонасыщенного угольного вещества, что имеет значение признака наступающих при этом структурных изменений. Установлена температурная зависимость величины расклинивающего давления, качественно воспроизводящаяся для разных марок углей.

6. Установлено на моделях из оптически-чувствительных материалов и затем подтверждено в натурных условиях, что разупрочнение диоксидом углерода приводит к снижению величины напряжений в кровле, на контуре выработки в 1,3-1,5 раза и смещению максимальных значений напряжений вглубь массива на расстояние, равное 5-7-и кратной мощности угольного пласта, а применение отсечных скважин в сочетании с диспергированием угольного пласта углекислым газом позволяет снизить напряжения в породах кровли над оставляемыми целиками со стороны выемочной выработки в 1,5-3 раза, при этом напряжения на контуре выработки снижаются почти в 2 раза.

7. Установленные закономерности влияния обработки угольного пласта диоксидом углерода на изменение напряженно-деформированного состояния массива составляют научно-обоснованный фундамент для расчетов объемов пучения пород почвы и величин смещений контуров горных выработок. В результате проведения этих расчетов искомые вели-

чины были определены с учетом критерия диспергирования угля, а на основании натурных замеров и данных лабораторных исследований вычислены коэффициенты снижения интенсивности пучения породы почвы при разработке различных марок угля. Оценки объемов пучения и смещения обеспечивают решение вопроса о целесообразности проведения охранных мероприятий по закреплению выработок, а также формах и конструкциях применяемой крепи. Проведенные натурные исследования подтвердили высокую сходимость результатов шахтных и расчетных величин смещений и пучений.

8. Результаты аналитических исследований, лабораторных и натурных экспериментов были реализованы в требованиях к параметрам технологических процессов обработки угольного пласта диоксидом углерода, в разработке технологических схем и регламентов ведения горных работ при реализации различных горно-технологических задач, а также в требованиях к оборудованию для производства углекислого газа, доставки его к месту проведения шахтных работ и для закачки в угольный пласт. Комплект шахтного оборудования, реализующий вышеперечисленные производственные операции, был изготовлен, допущен к работе в катего-рийных угольных шахтах и обеспечил проведение широкой промышленной апробации разработанных способов разупрочнения углепородного массива для различных технологических аспектов добычи угля и охраны горных выработок.

9. Проведенные на ш. «Зименка» АО «Прокопьевскуголь» испытания способа разупрочнения угольного пласта подтвердили эффективность применения диоксида углерода в качестве разупрочняющего реагента и позволили снизить прочность обрабатываемого в пласте угля в 1,5 раза, увеличить выход угольной массы до 90% (при использовании взрывной отбойки угля длинными скважинами без предварительного разупрочнения угольного пласта диоксидом углерода выход угольной массы не превышал 60%), снизить в 2,5 раза себестоимость добычи угля. Проведенные на гидрошахте «Тырганская» АО «Прокопьевскуголь» экспериментальные работы по разрушению угольного пласта высоконапорной струей воды с предварительным его разупрочнением углекислым газом также подтвердили высокую эффективность мероприятий по разупрочнению, выразившуюся в снижении прочности угля в пласте в 1,5-2 раза, снижении энергетических показателей процесса гидродобычи угля на 25-30% и рабочего давления в гидромониторах до 7 МПа (при использовании на шахте гидротехнологии без предварительного разупрочнения рабочее давление составляло 12 МПа и было недостаточно для эффективного размыва пласта), а также в уменьшении выхода негабарита.

10. Проведенные мероприятия по обработке удароопасного угольного пласта диоксидом углерода на ш. «Заполярная» ОАО «Ворку-

тауголь» установили снижение концентраций напряжений в пласте на 30-50%, снижение его температуры на 1,5-2 °С и повышение его влажности на 25-43%, а замеры прочности угля скважинными инденторами выявили ее 50% снижение, что соответствует ситуации, исключающей проявление удароопасности угольного пласта, т.е. обработка удароопасно-го угольного пласта диоксидом углерода позволила снять категорию удароопасности.

11. Реализация основных результатов работы выразилась в создании отраслевых нормативных документов, а именно: «Временных технологических схем разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения» и Инструкции по безопасному применению «Временных технологических схем разработки угольных пластов Про-копьевско-Киселевского месторождения», «Руководства по ведению взрывных работ в угольных шахтах» и «Рекомендуемых поспортов ведения буровзрывных работ для угольных шахт России», а также при разработке технических заданий, технических условий на оборудование по производству, доставке и нагнетанию диоксида углерода в угольный пласт, в широкомасштабных промышленных апробациях способов управления состоянием углепородного массива.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Направления развития нетрадиционных технологий добычи угля в исследованиях ИГД им. A.A. Скочинского /Сб. статей ИГД им. A.A. Ско-чинского, выпуск № 296. - М., 1994. С. 5-8.

2. Нетрадиционная технология управления состоянием горного массива с использованием физико-химического воздействия диоксида углерода на уголь. - Горный вестник - М.,-1994, - №1 (соавторы O.A. Эдель-штейн, A.B. Джигрин). С. 59-63.

3. Экологически чистое оборудование для производства диоксида углерода и диспергирование угля. - Горный вестник. - М., 1994. - № 2 (соавторы O.A. Эделынтейн, A.B. Джигрин). С. 49-52.

4. Перспектива использования диоксида углерода для управления состоянием углепородного массива. - Брошюра, изд. ИГД им. A.A. Скочинского. - М., - 1994. (соавторы: Ф.А. Чакветадзе, В. В. Коворова и др.). С. 1-34.

5. Направления развития нетрадиционных технологий добычи угля и переработки его на месте залегания. - Горный вестник. М., 1993. - № 1 (соавтор С.И. Мультанов).

6. Разгрузка приконтурного массива горных выработок диспергированием угольного пласта диоксидом углерода. - Брошюра, изд. ИГД

им. A.A. Скочинского. М., 1994. (соавторы O.A. Эдельштейн, В.В. Ко-ворова и др.).

7. The influence of carbon dioxide to changing of coal structure and durability. - 8-th International conference of coal science. Oviedo, Spain, September 10-15, -1995. Volume 1. (соавтор A.B. Джигрин). P.15-17.

8. Скважинный гидромонитор. Патент на изобретение № 2082882, приоритет от 28.07.95. (соавторы A.C. Хрулев, В.А. Стариков).

9. Способ разрушения угольного пласта (варианты). Патент на изобретение № 2082886, приоритет от 28.07.96 г. (соавторы A.C. Хрулев, O.A. Эдельштейн, A.B. Джигрин).

Ю.Рекомендуемые паспорта ведения буро-взрывных работ на угольных шахтах России. Изд. ИПКОН РАН, М, -1996. (соавторы П.И. Кушне-ров, A.B. Джигрин и др.). С. 71.

11.Руководство по ведению взрывных работ в угольных шахтах. Изд. ИПКОН РАН. М., 1996. (соавторы A.B. Джигрин, П.И. Кушнеров). С. 204.

12.Контроль процесса трещинообразования в горном массиве под действием циклической нагрузки. /Сб. статей ИГД им. A.A. Скочинского «Разрушение углей и горных пород». М., 1989. С. 71-76.

13.Контроль процесса разупрочнения угольного пласта. Тезисы X международной конференции по механике горных пород. М., 27.09. -01.10.93. С. 89-90.

14.Комбинированный способ отбойки угля скважинными зарядами с предварительным ослаблением угольного массива диоксидом углерода. Сборник "Разрушение взрывом и необратимые деформации горных пород. М., 1997.(соавтор A.B. Джигрин).С. 110-117.

15.Шахтные испытания технологии диспергирования угольного пласта диоксидом углерода. /Сб. научных трудов ВНИМИ: "Горное давление, горные удары и сдвижение массива". С-П. 1996. (соавторы Ю.А. Семенов, Л.М. Гусельников и др.). С. 76-84.

16.Разрушение горных пород энергией сжатого воздуха высокого давления. Тезисы 2-й международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада России". С-П. 1997. (соавторы Д.И. Адамидзе, A.B. Джигрин).

17.Определение координат очага разрушений в угольном пласте. Н.с. ИГД им. A.A. Скочинского, А.Э. Петросян, Н.К. Иванов-Шиц. М., 1988. С. 63-67.

18.Закономерности формирования напряженного состояния горного массива вокруг подготовительных выработок при диспергировании угольного пласта диоксидом углерода. II Международное совещание "Проблемы геодинамической безопасности". С-П. (соавторы A.B. Джигрин). 24-27 июня 1997. С. 129-133.

19.Исследование взаимосвязи параметров электромагнитного излучения с циклическим разрушением горного массива. Тезисы докладов. VII Всесоюзная школа «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках». Симферополь, 1990. С. 196-197.

20.The influence of carbon dioxide to changing of coal structure and durability. -9-th International conference of coal science. Essen, Germany, 12 September, - 1997. - Vol. 1. (соавтор A.B. Джигрин). P. 111-114.

21.Исследование взаимосвязи параметров электромагнитного излучения с циклическим разрушением горного массива. VII Всесоюзная научная школа «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках». Тезисы докладов. Симферополь. 1990. С. 196.

22.Результаты шахтных испытаний процессов диспергирования угольного пласта с целью снижения его удароопасности. Неделя горняка - 98 - Научный симпозиум. - М. - 2-6 февраля 1998. С. 4-9.

23.Физико-технические проблемы использования капилляроподобной конденсации диоксида углерода в процессах шахтной угледобычи. Брошюра, изд. ИГИ.- М. -1998. (соавтор Д.Л. Широчин) С. 52.

24.Временные технологические схемы разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения и Инструкция по безопасному применению «Временных технологических схем разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения» Прокопьевск. - 1998. (соавторы С.А. Шахурдин, Н.П. Троян и др.) С. 66.

25.Моделирование напряженно-деформированного состояния углепород-ного массива при воздействии диоксида углерода на угольный пласт. Брошюра, изд. НГД им. A.A. Скочинского. - М. 1998. (соавтор А.Е. Кусов). С. 46.

26.Physic-chemical disintegration of pyrite particles of coal. 8-th Coal Gedogy Conference, - June 22-27. - Prahe (соавтор Д.Л. Широчин). 1998. P. 4.

Министерство топлива и энергетики РФ Российская академия наук Национальный Научный Центр Горного Производства - ИГД им. A.A. Скочинского

На правах рукописи УДК 622.02.537

Нйколай Филиппович ТКАЧЕЙКО м у............... /три-

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ РАЗУПРОЧНЕНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА

Специальность 05.15.11. - «Физические процессы горного производства»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.........................................'..................................6

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ УГЛЕПОРОДНО ГО МАССИВА, ...15 1.1. Физико-химические процессы в трещиновато-пористой структуре

угля, взаимодействующего с поверхностно-активными

разупрочняющими средами...................................................15

1.2. Современное состояние и тенденции развития способов физико-химического разупрочнения угля применительно к управлению состоянием углепородного массива и нетрадиционным технологиям угледобычи................................................................27

1.3 Диоксид углерода - как оптимальный газовый реагент для разупрочнения углей в производственных процессах

угледобычи.........................................................................36

ВЫВОДЫ.........................................................................................45

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ МАССОГГЕРЕНОСА И ВОЗДЕЙСТВИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА НА СОСТОЯНИЕ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА............................................47

2.1. Аналитические исследования процессов массопереноса диоксида углерода и его диспергирующего воздействия на уголь..................47

2.1.1. Модель. Общие положения....................................................47

2.1.2. Выбор уравнений массопереноса............................................50

2.1.3. Метод ячеек (метод Вигнера-Зейтца) в задаче о насыщении угольного пласта газом........................................................ .57

2.2. Исследование изменения геомеханического состояния углепородного массива при воздействии диоксида углерода..........65

2.2.1. Аналитическое определение величины пучения в горных

выработках.....................................................................65

2.2.2. Оценка критерия, учитывающего влияние диспергирования

угля на интенсивность пучения пород почвы выработки........69

2.2.3. Аналитическое определение смещений контура выработки с учетом ползучести и образования области неупругих деформаций.....71

ВЫВОДЫ....................................................................... 78

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБРАЗЦОВ УГЛЕЙ ПРИ ИХ ОБРАБОТКЕ ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА........................................................................80

3.1. Методика лабораторных исследований................................... .80

3.2. Результаты исследования прочностных и деформационных свойств образцов углей при различных режимах их насыщения диоксидом углерода............................................................88

3.3. Исследование прочностных свойств образцов угля, находящихся в условиях сложного напряженного состояния с последующей

обработкой их диоксидом углерода.......................................106

ВЫВОДЫ........................................................................117

4. ИСЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИСКОПАЕМЫХ УГЛЕЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НИХ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА..............118

4.1. Исследование электрофизических свойств ископаемых углей

при их обработке диоксидом углерода.....................................118

4.2. ИК-спектроскопические исследования образцов углей, обработанных диоксидом углерода.....................................136

4.3. Рентгеноструктурные исследования образцов углей, подвергнутых воздействию диоксида углерода.........................141

ВЫВОДЫ..........................................................................150

5. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-

ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА НА

УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ............................................................ Л 52

5.1 Закономерности изменения напряженного состояния массива горных пород вокруг подготовительных выработок при разупрочнении угля диоксидом углерода...................................156

5.2. Результаты физического моделирования на моделях из

оптически чувствительных материалов......................................168

5.3. Закономерности изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород вокруг выемочной выработки при диспергировании угольного пласта диоксидом углерода в комбинации с применением отсечных скважин........................ .178

5.4. Закономерности изменения напряженно-деформированного состояния кровельного массива над межскважинными целиками

при диспергировании угольного пласта диоксидом углерода .......183

ВЫВОДЫ.................................................................................... 188

6. ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА НА УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ..............................................................................................189

6.1. Натурные эксперименты по установлению основных технологических режимов и операций при обработке угольного пласта диоксидом углерода.......................................................... 189

6.2. Исследования изменения состояния углепородного массива при разупрочнении угля диоксидом углерода применительно к охране горных выработок............................................................ .207

6.3. Исследования изменения напряженно-деформированного состояния углепородного массива при разупрочнении угля диоксидом углерода для борьбы с горными ударами..................................231

6.4. Разработка нетрадиционных технологических решений добычи угля с использованием диоксида углерода..............................246

6.4.1. Разработка оборудования по производству, доставке и обработке

I

угольного массива диоксидом углерода................................246

6.4.2. Разработка нетрадиционной технологии отработки крутопадающих угольных пластов с предварительным их разупрочнением диоксидом углерода.........................................................................256

6.4.3. Разработка способа гидродобычи угля с использованием диоксида

углерода в качестве разупрочняющего реагента.................... .263

ВЫВОДЫ.................................................................. .269

7. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ......... .....271

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................... .....273

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.................. ....278

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................ ..289

ВВЕДЕНИЕ

Многие трудности отечественной угольной промышленности связаны с тем, что до сих пор нет технических и технологических решений, которые позволяли бы в конкретной горно-геологической и производственной обстановке, особенно в наиболее сложных случаях (пласты крутого падения, малой мощности, целики и проч.'), нужным образом управлять свойствами и состоянием углепородного массива и подготавливать его к экономически - целесообразной выемке угля, одновременно повышая безопасность горного производства и создавая благоприятные предпосылки для решения проблем его экологической агрессивности. Причиной является ограниченность применяемых для этого средств предварительного воздействия на угольно-породный массив, большинство из которых по своему происхождению, относятся к механическим, имеют масштаб, чаще всего сравнимый с характерными размерами горных выработок, что затрудняет (если не исключает вовсе) гибкое целенаправленное регулирование свойств массива в соответствии с поставленными производственными, социальными и коммерческими задачами[|,2].

Использование жидких ПАВ в качестве разупрочняющих реагентов позволило разработать ряд способов разупрочнения массива, основанных на использовании эффекта адсорбционного понижения прочности твердого тела (эффект Ребиндера) в результате протекания на его поверхности диффузионно-химических процессов. Однако применение жидких ПАВ для целого ряда производственных задач ограничено значительным временем пропитки массива. Этот недостаток можно устранить, используя в качестве разупрочняющего реагента газ, сорбционно-активный по отношению к углю.

В 1987 году обнаружен, а за истекшее десятилетие детально исследован процесс капилляроподобной конденсации неинертных газов в надмолекулярной структуре ископаемых углей, одним из последствий которого является интенсивное разупрочнение угляй.Свойства физико-химического конденсационно-обусловленного процесса разупрочнения газонасыщенного угля таковы, что позволяют использовать этот процесс практически в любых горно-геологических условиях, в сочетании с любыми основными процессами разрушения угля, обеспечивающими его

промышленную выемку и возможности управления геометрией

)

выработанного пространства при разработке угольных месторождений подземным способом. Создание соответствующих нетрадиционных технологий требует разрешения ряда принципиальных вопросов физики взаимодействия с углем прежде всего газов с достаточно высокой температурой конденсации, к которым, в частности, относится углекислый газ и производство которого в настоящее время не связано с серьезными техническими и экономическими проблемами.

Представленная работа выполнялась с 1991 года под научным руководством автора в Государственной научно-технической программе «Недра России» по Проблеме «Создание экологически чистых способов добычи угля и получения продуктов его переработки на месте залегания» в проекте Г-6 «Разработка и проведение опытной проверки нетрадиционной экологически чистой технологии добычи угля с использованием физико-химических, виброимпульсных и других воздействий на угольный пласт», а также в Отраслевом проекте Минтопэнерго РФ О-Ю «Разработка эффективных способов разупрочнения горного массива и подготовки его к выемке».

Целью диссертационной работы является установление характерных закономерностей физико-химического процесса разупрочнения углепородного массива диоксидом углерода, обоснование и

разработка способов использования этого процесса при подземной разработке угольных месторождений.

Идея работы заключается в комплексных исследованиях эффективности применения углекислого газа для разупрочнения угля с использованием основ капилляроподобной конденсации углекислого газа в надмолекулярной структуре ископаемых углей для обоснования и разработки новых эффективных нетрадиционных способов управления состоянием углепородного массива в процессах подземной угледобычи.

В соответствии с целью и идеей в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Теоретическое моделирование массопереноса диоксида углерода в угольном пласте с учетом его физической адсорбции в угле.

2. Установление закономерностей влияния диоксида углерода на прочностные, физико-химические и электрофизические свойства ископаемых углей.

3. Моделирование напряженно-деформированного состояния углепородного массива на эквивалентных оптически-чувствительных материалах при воздействии диоксида углерода на угольный пласт.

4. Обоснование оптимальных режимов обработки угольного пласта диоксидом углерода и разработка элементов технологий управления состоянием углепородного массива для решения различных горнотехнологических задач.

5. Разработка комплекта оборудования для производства диоксида углерода, доставки и обработки угольных пластов при проведении шахтных работ и для дальнейшего , использования в угольной промышленности при освоении новых способов управления состоянием углепородного массива.

6. Проведение шахтных экспериментов по исследованию изменения состояния углепородного массива при воздействии на него диоксида углерода.

7. Разработка способов разупрочнения углепоррдного массива диоксидом углерода для их использования при решении задач управления состоянием углепорордного массива и в технологиях нетрадиционной добычи угля подземным способом.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Применение газообразного диоксида углерода в качестве разупрочняющего реагента с использованием явления фазового перехода сорбированного газа в угольном веществе позволило разработать новые физико-химические способы воздействия на углепородный массив, использование которых обеспечивает эффективное целенаправленное управление прочностными свойствами и напряженно-деформированным состоянием углепородного массива.

2. В диффузионном приближении массопереноса газового сорбата в бипористой среде сорбента обоснована и детально проанализирована теоретическая модель процесса нагнетания в угольный пласт диоксида углерода через систему эквидистантных параллельных нагнетательных скважин, на основе которой качественно описаны наблюдаемые закономерности процесса его нагнетания и определены все характерные параметры этого процесса. На основе предложенной адекватной теоретической модели установлены зависимости, характеризующие интенсивность проникновения в угольный пласт диоксида углерода, которые определяются его диффузионной подвижностью в пласте и расстоянием между нагнетательными скважинами.

3. Установлено, что путем ослабления прочностных свойств угля при его разупрочнении диоксидом углерода можно эффективно уменьшать величину пучения почвы горной выработки. Получены аналитические зависимости, определяющие объемы пучения почвы и смещения контура горной выработки с учетом ползучести пород и образования области неупругих деформаций вследствие диспергирования угля диоксидом углерода, критерий диспергирования для различных марок угля.

4. Показатели изменения физико-механических характеристик угля диоксидом углерода:

- снижение прочности на растяжение образцов угля на 38-43% и существенное увеличение пластических деформаций в зависимости от цикличности обработки и характера нагружения;

- снижение прочности образцов угля, обработанных в режиме обобщенного растяжения на 73,4%, в режиме обобщенного сдвига на 60%, в режиме обобщенного сжатия на 34%.

5. Эффекты адсорбции молекул диоксида углерода на поверхности щелочноземельных металлов (кальция и магния), входящих компонентами в золу угля в форме карбонитного иона СО*' , состоящие в том, что процесс разупрочнения угольного вещества диоксидом углерода происходит интенсивнее с увеличением в его составе соединений СаО и М^О и установленные с использованием метода ИК-спектроскопии.

6. Закономерности снижения на углях интенсивности линий спектров дифракции рентгеновского излучения с ростом содержания соединений СаО и М^О для различных марок углей, подвергнутых разупрочнению диоксидом углерода, характеризующие изменения пластических свойств угольного вещества в зависимости от содержания в угле этих соединений.

7. Характерный эффект одновременного резкого изменения всех электрических свойств угля, вызванный конденсацией в нем сорбированного СОг, инициирующей, необратимые структурные изменения углей. Качественно согласующиеся для разных марок углей температурные зависимости величины расклинивающего давления образующегося капилляроподобного конденсата диоксида углерода.

8. Снижение в 1,5-2 раза прочности угля в пласте в результате фазового перехода в сорбированном углем диоксиде углерода, послужившее основой для разработки эффективных способов разупрочнения углепородного массива и позволившее при их использовании в промышленных условиях увеличить выход угольной массы с 60 % до 90% при отбойке угля

длинными скважинными зарядами ВВ, а также снизить энергетические показатели при гидродобыче угля на 25-30%, рабочее давление в гидромониторах с 12 МПа до 7 МПа и уменьшить выход негабарита.

9. Полученные в промышленных условиях увеличение на 25-43% влажности угольного пласта, снижение его температуры на 1,5-2 °С, снижение концентраций напряжений на 30-50% при обработке удароопасного угольного пласта диоксидом углерода, соответствующие ситуации, в которой проявление удароопасности исключается.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- физико-технической корректностью постановки и решения задач теоретического моделирования нагнетания в пласт диоксида углерода;

- экспериментальным подтверждением теоретически установленных закономерностей нагнетания в условиях капилляроподобной конденсации диоксида углерода в ископаемых углях;

- использованием апробированных методов испытаний прочностных и деформационных свойств горных пород, метода моделирования на оптически-чувствительных материалах, современных методов контроля физико-химических свойств горных пород (метод ИК-спектроскопии и рентгеновский качественный фазовый анализ);

достаточным и статистически обоснованным объемом и представительностью выполненных экспериментальных комплексных исследований в лабораторных, стендовых и натурных условиях;

соответствием метрологических характеристик, применяемых в экспериментах приборов уровню поставленных научных исследований;

удовлетворительной сходимостью, в пределах допустимых погрешностей,