автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Совершенствование методов низконапорного увлажения угольных пластов

РГБ ОД 2 О НОЯ 2000

На правах рукописи

ЕЛКИН Иван Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ НИЗКОНАПОРНОГО УВЛАЖНЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность: 05.15.11. - Физические процессы горного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2000

-о т.тгтг^пгтртгч п х гл..^ * тягтятттд^т.'^^ *

университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Дырдин Валерии Васильевич. Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Хямяляйнен Вениамин Анатольевич; кандидат технических наук, старший науч, сотр. Лазаревич Тамара Ивановна. Ведущая организация - БостНИИ.

Защита состоится. 92 ¿сМРНЯ 2000 г. в ^чаоов на заседании диссертационного совета Д 063.70.02 Кузбасском государственном техническом университете по адресу: 650026, г. Кемерово, ул Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасскогс государственного технического университета.

Автореферат разослан "22 ц 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., проф.

А .С. Ташкинов

('"Ч'П'ТГТ.Л <Т V V Г> V ГГТ'П'ПТ.ТОТТ.ТТ.'- А Т1 \ ГЛТ1 т «.Ш111ПЛ ¿и-и гиуш Г1и]|и\л гАЬиП)!

АКТуальНООТЬ рЕООТЫ. С К35КДЫМ ГОДОМ Срелнзя гтслщтз тгатте.тт'з

горных работ увеличивается на б - 7 м. С увеличением глубины разработки угольных месторождений закономерно возрастает природная газоносность угольных плаотов, повышается напряженное состояние массива, увеличивается выбросоопасносгь и газодинамическая активность угольных плаотов, активизируются другие опасности: пыле-выделение, пожароопасностъ. Повышение газодинамической активности и других опасных и вредных, явлений отрицательно сказываются на технико-экономических показателях шахты, приводит к повышению уровня производственного травматизма, является сдерживающим фактором три внедрении высокопроизводительных технологических комплексов.

Одним из основных способов борьбы о проявлением газодинамической активности угольных плаотов и о другими опасностями и вредностями является низконапорное увлажнение угольного пласта. Но в связи о низкой смачиваемостью и проницаемостью углей, особенно утлей выбросоотасных пластов, отсутствием эффективных методик выбора поверхностно-активных веществ (ПАВ) для повышения эффективности увлажнения этот способ не достигает своей цели, поэтому совершенствование методов повышения эффективности низконапорного увлажнения угольных плаотов является актуальной задачей.

Диссертация отражает результаты исследований, выполненных автором в период 1995-2000 гг. в Кузбаооком государственном техническом университете в соответствии с планами НИР университета по научно-технической программе НОК-4 по теме № 10-12, при поддержке гранта с кодом по ГРНТИ 52.13.05, 52.13.07, 52.13.25 по проекту «Разработка методов управления свойствами горных пород с помощью электрических и физико-химических способов воздействия на краевые зоны».

Целью диссертационной работы является повышение эффективности низконапорного увлажнения угольных пластов при подземной разработке для создания безопасных условий труда путем выбора активной среды и применения элекгроосмооа.

Идея работы состоит в использовании зависимостей процессов увлажнения от краевого угла смачивания для углей различных марок, вида и концентрации ПАВ, напряженности электрического поля.

Задачи исследований:

1) исследовать межфазныо йзаимодсйС'шйн в системе вода-уголь—ГНЗ. УСП'аКОВИТЬ оенпрт-гые чятгонок5<»,г>нг>с!ти ПрОЦ?СС2 смачивания водой каменных углей и его влияния на процессы фильтрации;

2) определить факторы, влияющие на эффективное использование активных сред, разработать методы их выбора, позволяющие повысить эффективность увлажнения каменных углей с помощью применения активных сред (АС);

3) установить основные факторы, влияющие на злектроосмоги-ческое увлажнение каменных углей, и разработать методику повышения эффективности увлажнения угольных пластов на основе применения воздействия внешнего электрического поля на систему жидкость-уголь- газ.

Методы и объекты исследований. При выполнении работы использованы теоретические и экспериментальные методы исследований, включающие анализ и научное обобщение опыта повышения эффективности опоообов борьбы с основными опаоноотями, методы математической физики, математического и лабораторного моделирования," лабораторные исследования межфазных взаимодействий в системе жидкость-уголь-газ при наложении' внешнего электрического поля и без поля.

Объектами исследования служили угли различных физико-химических свойств, растворы различных поверхностно-активных сред.

" Научные положения, выносимые на защиту

1. Краевой угол смачивания является определяющим фактором эффективности процеооа увлажнения угольного массива, так как путем самодвижения воды в микро- и переходных порах достигается максимум расхода при условии обеспечения минимального значения краевого угла смачивания, который для данных марки угля, вида и концентрации ПАВ не должен превышать 30°.

2. Процесс слабонапорной фильтрации воды в каменных углях определяется физико-химическими свойствами углей и в зависимости

времени имеет нелинейный характер вследствие влияния гистерезиса краевого угла омачивания и закупоривания фильтрующих пор, причем расход воды, уменьшающийся с увеличением влажности по экспоненциальной зависимости, может быть увеличен в 2 - 3 раза путем оптимального выбора ПАВ и его концентрации в растворе.

3 Х/Г—~

« л х 1 сл I? лСИДК^гСТН

при электроосмотической фильтрации существует нелинейная зави-икмош~ь, максимум ко; црой смещается в сторон\' меньших концентраций при увеличении напряженности электрического поля, при этом расход изменяется о течением времени, достигая своего максимального значения впервые 0,5 - 1 часа, и в дальнейшем снижается до значений, составляющих 0,25 - 0,5 исходных. Научная новизна работы

• Предложены методы исследования процессов омачивания и фильтрации воды в каменных углях, имеющие повышенную точность, учитывающие основные закономерности, происходящие в массиве при увлажнении.

• Предложена,математическая модель, описывающая влияние краевого угла смачивания и влажности угля на процесс увлажнения угля.

• Разработаны методы выбора эффективной активной среды и ее оптимальной концентрации в растворе при увлажнении каменных углей в целях повышения эффективности увлажнения.

• Разработан метод определения оптимальных условий для электроосмотического увлажнения угольного массива.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, базируется на основных положениях гидродинамики и электродинамики для дисперсионных сред, на статистической обработке экспериментальных исследований, проведенных автором, удовлетворительной сходимости (в пределах 5-10 %) результатов раочетов и экспериментальных исследований параметров межфазных взаимодействий.

Личный вклад автора заключается в:

- проведение аналитических и экспериментальных исследований влияния различных факторов на процессы смачивания;

- проведение теоретических и экспериментальных исследований влияния процессов смачивания на фильтрацию жидкостей в каменных углях при низких давлениях;

- разработке эффективных методов выбора ПАВ;

- разработке эффективной методики электроосмотического увлажнения угольного массива.

Научное значение работы состоит в установлении закономерностей межфазных взаимодействий в системе уголь-жидкость-газ,

расширяющих НЗВеСТНЫе ПреДОТШЗЛеНИЯ О ДВНЖеНИИ Н ——• i—ДTi I О" V ~ т Г;"т 1 жидкости в пористых средах при низконапорной фильтрации.

Пца_". i-?i i gv.".а» цриирц'Ь paUOibi. PajpauOIanbX мбХОДпЧёСКИё указания по электроосмотическому увлажнению угольных пластов и методы выбора поверхностно-активных веществ, позволяющие повысить эффективность низконапорного увлажнения.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные результаты работы переданы в ВостНИИ для практического испытания на шахтах.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на II и Ш Международных научно-практических конференциях «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 1997-1999 гг.), Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию» (Кемерово, 1999 г.); на 41 гй, 42-й и 43-й научно-технических конференциях студентов, аопирантов и преподавателей КузГТУ (г. Кемерово, 1996-1999 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано шесть печатных работ.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 130 страниц машинописного текста, 30 рисунков, 13 таблиц, список использованной литературы из 123 наименований и 4 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 рассматривается состояние вопроса по проблеме повышения эффективности низконапорного увлажнения угольных пластов.

К основным опасностям, имеющим природную основу, относятся: 1) горное давление; 2) газонооноотъ, газовыделение; 3) ударо-опасность; 4) рудничная пыль; 5) самовозгорание углей.

Наиболее опасным проявлением горного давления является горный удар. На 01.01.99. на угольных шахтах Кузбасса зарегистрировано 144 горных удара В настоящее время на шахтах Кузбасса разрабатывается около 400 шахтопластов, отнесенных к опасным или угрожаемым по горным ударам.

В Кузнецком бассейне за период с 1943 по 1999 год при ведении горных работ на 21 шахте в 10 месторождениях зарегистрировано 190

П Т arrtitrv Т> Т_Г Лгк^огчо t гт> Ter т ж Г"-! -2

^.i*»»-»*«»***/« к jj^tupuvtJU J X Г Л I UsJU

опасность угольных пластов в Кузбассе обусловлена значительной

IЛуОмНСш У СЛСЛ-^-Ч иыбот if ЮПНО-Г£ОДОГИЧ~СКИМИ VCnOBHSMW

Большой вклад в разработку методов и способов борьбы с основными опасностями и вредностями, их теоретическое обоснование и практическое внедрение внесли академики: A.A. Скочинский, В.В. Ржевский; ученые: С.Г. Авершин, А.Т. Айруни, A.C. Бурчаков, Ю.Ф. Ваоючков, В.А. Вологодский, П.В. Егоров, В.П. Журавлев, Б.М. Иванов, B.Ä. Колмаков, А.И. Ксенофонтова, Т.Н. Лазаревич, И.Г. Легко-дух, Ю.В. Лесин, Н.П. Миронов, В.И. Мураш ев, В.И. Николин, Е.И. Онтин, СП. Панасейко, Г.Е. Панов, И.М. Петухов, А.Э. Петросян, В.Н. Пузырев, БГ. Тарасов, Е.И. Фоминых, В.В. Ходот, B.C. Черкасов, О.И. Чернов, Г.А. Шевелев, Я.Г. Шлиомувичуо, ИЛ. Эттингер и Др-

Одним из главных способов борьбы с основными опасностями и вредностями является низконапорное увлажнение угольного массива в режиме фильтрации в силу экономичности, экологической безопасности, низкой трудоемкости, универсальности по отношению ко всем видам опасностей.

Одной из причин низкой эффективности увлажнения является недостаточно адекватный выбор параметров увлажнения, связанный со слабой изученностью процессов смачивания угля водой и фильтрации воды при давлениях, соизмеримых о капиллярным лапласов-ским давлением. Не изучено влияние влажности угля на процессы самодвижения жидкости в порах различного размера. В большинстве случаев определение смачивающей способности углей сводится к определению краевого угла смачивания методом «сидящей» капли и постоянной самодвижения.

С помощью применения активных сред можно в широком диапазоне изменять физико-механические свойства горных пород. Показано, что применение растворов активных сред (АС) являетоя наиболее эффективным методом борьбы со всеми опасностями на шахтах, но при этом слабо развиты методы выбора АС и ее оптимальной концентрации.

Для повышения эффективности процессов увлажнения необходимо:- определить факторы, влияющие на эффективность процессов увлажнения; изучить влияние времени на межфазные взаимодействия, влияние процесса смачивания на фильтрацию при низких давлениях; разработать способы выбора эффективных по-

верхностно-ажтивных веществ (ПАВ); исследовать влияние внешнего электрического поля на процессы увлажнения и разработать методы

ПС и 1мШ2Глж ^фф^хч кшалС V1 хх ПкН/лО^ыИСрхдО« С \1>IУ! ■

В главе 2 приведены результаты исследований межфазных взаимодействий в системе уголь-вода-газ.

Основной характеристикой межфазных взаимодействий в системе уголь-вода является краевой угол смачивания. Разработана теоретическая модель поверхности угля, в рамках которой показано, что в условиях естественной влажности для каменных углей в зависимости от физико-химических свойств краевой угол смачивания для воды может изменяться от 45 до 120°. Основными факторами, влияющими на угол смачивания угля, являются степень метаморфизма, влажность, зольность и др.

Наиболее ярким показателем гидрофильности является естественная влажность угля (табл.1).

Таблица 1

Зависимость угла смачивания от влажности

Естественная влажность, % Выход летучих, % Средний угол сиачввания, град.

0.0-0.5 - 95

0.6-1.0 16-22 85

1.0 - 2.0 12-15,23-36 78

2.0-4.0 37-40 67

Результаты наших теоретических и экспериментальных исследований показывают, что содержание углерода в органической части угля на воем диапазоне степени метаморфизма изменяют его гидрофильные свойства на б - 7°. Такие же результаты дает изменение зольности угля в диапазоне от 3 до 16%. Наибольшее влияние на гид-рофильность угля оказывает изменение его влажности. По результатам исследований разработан экспериментальный метод определения краевого угла смачивания, позволяющий определять краевой угол смачивания для каменных углей с большей точностью по сравнению с известными.

Результатами наших лабораторных исследований слабонапорной фильтрации веды в каменных углях установлена зависимость расхода <2(0 воды при постоянном давлении от времени увлажнения угольного образца (рис. 1.), которая описывается уравнением вида

2(0=0^+60, , 0)

где «5 р —змииричсскнс константы; г — время (шльтпапни: О,-, — пое-дельное значение расхода.

Рнс. 1. Изменение расхода воды при постоянной давлении в зависимости от времени увлажнения: -А— для угля марки Г ; - для угля марки КО

Стабилизация расхода жидкости происходит только через 10 -15 суток после начала увлажнения. При этом расход уменьшается в 2 - 3 раза (рис.1.).

Это связано, с одной стороны, с переходом от неустановившегося характера фильтрации к установившемуся, а, о другой - с процессом закупоривания пор, обусловленного седиментацией, кольматаци-ей, адсорбированием на поверхности пор, капилляров молекул газов, жидкостей, ионов, а также набуханием горных пород. Многие из этих процессов развиваются длительное время, что связано с физико-химическим взаимодействием различных сред. В общем случае;, в результате развития процесса закупоривания пор происходит уменьшение эффективного радиуса фильтрующих капилляров. Предложено учитывать приведенные данные об изменении расхода жидкости со временем при региональном увлажнении при расчете эффективного радиуса увлажнения от одиночной скважины.

Проведено исследование влияния процессов смачивания и закупоривания пор на слабонапорную фильтрацию жидкости в порах малого размера. Учет сил лапласовского давления для пористого тела, состоящего из капилляров одинакового радиуса, имеющих форму цилиндра, приводит к следующему выражению для расхода жидкости, прошедшей через N капилляров пористого тела, обладающего влажностью мг:

(

¿«V „_гт =-■

<7 I

Р )

К.*)

где р - плотность жидкости, кг/м ; Ц - динамическая вязкость, Па с; рк - плотность угля, кг/м ; Я — эффективный радиус капилляра, м; #=9.81 м/с2;Я - высота столба жидкости, м; а - поверхностное натяжение жидкости, НХм; © - угол омачивания, град,

Эффективный радиус капилляра Л зависит от различных факторов. Основным фактором, влияющим на И, является изменяющаяся со временем влажность образца м>. В простейшем случае Л нами предложено рассчитывать по формуле

1 *Мрк у '

(3)

где то6р - масса образца, кг; ($ ~ кривизна капилляров; / - длина образца, м; рк - плотность угля, кг/м3; п - рабочая пористость образца, доли ед.; у/ - объемная влажность горной породы, доли ед.

Выражение (2) является основным уравнением, определяющим <2, в зависимости от влажности образца, гидростатического (внешнего) давления, размеров капилляров и смачиваемости. Угол .© в уравнении (2) зависит от влажности, т.е. является функцией © = /(и'). Учитывая это, на рис. 2. представлены характерные функции <2 = /(Я, ж) для пор различных радиусов Д>

ШЛО", , м3/с) 5

О 1 2 3 Рис.2. Характерные зависимости 0 =/(Д ---

4 м>% при 0=0° для йо=Ю"7м.

3

ТТт<г и гтг>п ггл Н тт*п'пл а^л л- * л-— * т т

функции 0 = /(_/?,») ■ при влажности ^«0,7-1,2 %, что объясняется

ХРЛСРЯ^ти'Р'КС VЛттПТ5лт^гатгхтатго' л мз И'та

^ «Г р^УА^ли гг. Т X рйлшЧхшт

марок максимум зависимости <2 = /(К,п) будет наблюдаться при различных значениях -и/, т.е. определяется, главным образом, видом функции © = /О). Далее, для всех капилляров характерно общее снижение расхода с увеличением влажности, которое происходит вследствие закупоривания пор.

Наибольшая скорость роста () для микро- и переходных пор наблюдается при влажности ук0,75%, что обусловлено сорбированием воды на поверхности (гидрофилизация поверхности), значительным снижением краевого угла смачивания и действием лапласов ских сил. При этом, если только несколько адсорбированных слоев (2 - 3) воды покрывают всю поверхность пор, то уголь становится гидрофильным с краевым углом смачивания, стремящимся к 0°.

Приведенный расчет Q на рис. 2. для /?о=10"7м при ©=0° показывает, что применение хорошо смачивающих уголь жидкостей с малым краевым углом смачивания значительно увеличивает скорость движения жидкости по микропорам угля в начальный период увлажнения. Движение воды в микро- и переходных порах начинается при угле смачивания, не превышающем 30°.

В целях повышения качества увлажнения в начальный период при низкой влажности и при дальнейшем увеличении влажности необходимо добавление поверхностно- (ПАВ) и химически-активных веществ (ХАВ), позволяющих увеличить смачиваемость углей и препятствующих протеканию процессов преждевременного закупоривания пор.

В главе 3 приведены результаты экспериментальных исследований влияния поверхностно-активных сред на процесс увлажнения каменных углей.

Высокое разнообразие поверхностно-активных сред (ПАС) и их воздействие на процессы увлажнения создают необходимость дополнительных исследований процессов смачивания и слабонапорной фильтрации растворов ПАС в каменных углях, определения влияния АС на процессы закупоривания фильтрующих пор, разработки простых точных методов выбора ПАС и его концентрации для эффективного увлажнения угольного массива

Исследование влияния АС на процессы омачивания и фильтрации было проведено нами на основе методик, разработанных в разде-

и

лс 2, Ныли уот£новд5ны закономерности

центрации различных АС в растворе, а также изменение расхода рао-ТЪОгллэ АС V Т^Чбнотм «исмспм. В качсчлъо ¿шИмейа опи. 3» ¿шмйс-

* * * * * А

дены результаты измерений для моющего средства «Пемос» как для типичного представителя ПАВ и НИОз, как для типичного представителя ХАВ.

.Проведенные исследования показывают, что применение ПАС позволяет снизить действие преждевременного процесса закупоривания пор, увеличить проницаемость пласта, скорость и радиус увлажнения массива от одиночной скважины. Для фильтрации растворов ХАВ характерно увеличение скорости фильтрации с ростом концентрации, что связано с растворением или разрушением элементов макромолекул угля. Для растворов ПАВ, смачивателей, электролитов, напротив, о увеличением концентрации скорость фильтрации снижается. Причем действие ХАВ, таких, как НгЗС^, НМОз, на расход жидкости более значительно, чем ПАВ такой же концентрации. Причина снижения скорости фильтрации для ПАВ связана с увеличением коэффициента вязкости, о критической концентрацией мицеллообразо-вания.

ею',,

м3/сут 16

12 А ________-

О--. * *-----А

° ' -- « - * „

Ц О-------°--------о-------о- —

— —

4

О 2 А 6 8 10 12 14 г, сут

Ркс. 3. Изменение расхода активной среды с течением времени для угля марки Г: о - раствор моющего средства«Пеиос» в концентрации 0.4%; д - раствор ШЮ3

с концентрацией 0.2 %

Наибольший экономический эффект достигается при применении кислот, щелочей, после технологического применения на химических предприятиях в концентрациях, не превосходящих по нормам экологической безопасности. Экономический эффект достигается, главным образом, увеличением качества увлажнения, сокращением времени на профилактические работы. Применение моющих средств

и дорогостоящих ПАВ будет экономически оправдано только п"ч низких концентрациях (до 0,005%).

ССрм^ОХ«!, рСЗУ^иэхдТЫ и^АлэС^СЪлЫХ (р^Оппип^ ИОАЙЗЫ-

вают, что эффективность увлажнения, технологические и экономические показатели зависят от выбора ПАС и его концентрации. На основе результатов исследований были разработаны методы выбора эффективной ПАС и ее оптимальной концентрации.

Коэффициент вариации при определении оптимальной концентрации АС в растворе по разработанным методам не превышает 7 % в серии из 15 взятых образцов угля.

В главе 4 приведены результаты исследования по повышению эффективности увлажнения угольного массива путем применения внешних стационарных электрических полей (ВЭП).

Целью применения электрооомотического увлажнения является повышение скорости и качества увлажнения, а также увеличение эффективного радиуса увлажнения от одиночной скважины.

Применение электроосмоса в целях повышения эффективности увлажнения является наиболее перспективным среди других электрических методов воздействия. Но его применение не всегда эффективно вследствие отсутствия обоснования выбора технических параметров процесса, что связано с недостаточностью изученности явления, лежащего в основе этого метода. Для повышения эффективности этого метода требуются дополнительные исследования для установления основных факторов, влияющих на эффективность метода и разработки эффективной методики электроосмотического увлажнения угольного массива

Согласно современной точке зрения, возникновение электрокинетических явлений связано о образованием двойного электрического слоя (ДЭС) на границе раздела твердой и жидкой фаз, который возникает в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита. Основной характеристикой ДЭС является д -потенциал. Его величина определяется физико-химическими свойствами взаимодействующих фаз, физико-химическими процессами на границе раздела.

Основное уравнение электроосмотической фильтрации в пористых средах имеет вид

$=кэлЁ, (4)

где V - скорость движения жидкости, м/с; к^ - коэффициент электроосмотической фильтрации, м^/(В с); Ё - напряженность ВЭП, В/м.

Выражение для коэффициента электрооемоткчеекой фильтрации записывают б виде

рр.,^

ь- _ "и? ?Г.\

пЭЛ — > К-'!

7

где ?/ - коэффициент динамической вязкости жидкости, Па - с; абсолготная и относительная диэлектрические проницаемости среды, соответственно.

Проведенные исследования свидетельствуют об отклонении от закона, выраженного формулой (4), и о необходимости учета других, параллельно протекающих явлений при наложении электрического поля на увлажняемый массив.

Исследования (результаты грив едены на рис. 4. и 5.) показывают, что для каждой системы уголь-раствор АС+ВЭП существует оптимальная концентрация, связанная со отроением ДЭС, когда раоход жидкости, прошедшей через поперечное сечение образца, имеет максимальное значение. В этом случае электроосмотическое увлажнение угля наиболее эффективно. Согласно исследованиям, проведенным нами, оптимальная концентрация АС обычно составляет 2 - 4%. Причем установлено, что максимум электроосмотического расхода жидкости смещается в сторону меньших концентраций при увеличении напряженности ВЭП. Наибольшую эффективность при наложении электрического поля дают растворы ЫЕ-У? и НМОз.

Рис. 4. Влияние напряженностн электрического поля на эффективность электроосмотического увлажнения (уголь марки К):---дистиллированная вода;

---техническая вода; — 2% раствор NH^F

На ооновании проведенных исследований установлено, что наложение поля следует производить на 0,5 - 1 ч с последующим прерыванием на30 мин или изменением полярности электродов.

Рис. 5. Изменение расхода раствора }5аС1 в зависимости от концентрации и напряженности ВЭП (уголь марки К)

Применение электрооомотнческого увлажнения может повысить скорость увлажнения на 70% и более. Наиболее существенно на процессы электроосмотического увлажнения влияют вид АС и ее концентрация в растворе, напряженность ВЭП, время. Оптимальные'Параметры этих факторов нами предложено определять экспериментальным путем на разработанной электроосмометричеокой установке. В связи с этим нами предложен метод выбора оптимальных условий для злектроосмотического увлажнения угольного массива

Прежде чем осуществить электроосмотическое увлажнение угольного пласта в шахтных условиях, необходимо в лабораторных условиях экспериментально определить величину наиболее эффективного электрического . поля, эффективную физико-химически-активную среду и ее концентрацию в растворе, оптимальное время наложения ВЭП.

„ Внедрение электроосмотического увлажнения угольных пластов возможно при применении высокоэффективных и безопасных схем его проведения при применении эффективных и безопасных электротехнических и технических средств и оборудования. К числу таких средств относятся искробезопасный источник питания, кабели, имеющие повышенную защиту, электроды, обеспечивающие передачу электричеокой энергии массиву, и т.д.

Наложение внешнего электрического поля на увлажняемый массив осуществляют с помощью электродов, вставленных в увлажняющие скважины и соответствующим образом герметизированных. В

заькекмооти ОТ ЗИоКа С -хЮТёКЦНЕПЗ. НйиОрпОс гыи в рёжпмё

фильтрации прозодят через катоды или аноды, Если £-потенциал, определяемый в лабораторных условиях о помощью злеклроосмомо рической установки, меньше нуля (отрицательный) низконапорное нагнетание проводят через аноды, если больше нуля, соответственно, наоборот-через катоды.

Если целью электроосмотического увлажнения является увеличение скорости увлажнения, то в этом случае расстояние между увлажняющими напорными скважинами-анодами выбирают по стандартным разработанным методикам для напорного увлажнения в режиме фильтрации, При этом время, необходимое для нагнетания жидкости, определяют по формуле

'м™ с6>

где (2н~ расход жидкости при низконапорном увлажнении угольного массива, м3/с-, % - время, необходимое для нагнетания жидкости при напорном увлажнении, с; кэл - электроосмотический коэффициент фильтрации жидкости, м*/(В' о); ¿' - площадь поверхности скважины, м2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой научную квалификационную работу, в которой изложены научно обоснованные решения технических задач по совершенствованию методов повышения эффективности низконапорного увлажнения угольных пластов, позволяющие повысить безопасность ведения горных работ при подземной разработке месторождений.

Основные научные и практические выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1.На основании проведенных исследований межфазных взаимодействий в системе уголь-жидкость-газ установлено, что краевой угол смачивания является определяющим фактором эффективности процессов увлажнения угольного массива. При этом необходимый уровень увлажнения при низконапорном нагнетании жидкости достигается, если краевой угол смачивания для данных марки угля и смачивающей жидкости не превышает 30°.

ВОДЫ 3 г.ГИлрС- К переходных ПОиал НаЧйНаоТСЯ при определенном угле смачивания, не превышающем 30°, прячем расход

максимального значения при определенном значение влажности.

3. Процесс слабонапорной фильтрации в каменных углях имеет нелинейный и нестационарный характер вследствие закупоривания фильтрующих пор, зависящего от влажности угля и времени межфазных взаимодействий. Обнаруженные зависимости процессов смачивания «.фильтрации необходимо учитывать в технологических процессах при увлажнении угольного массива

4. Повысить остаточную проницаемость в 2 - 3 раза по сравнению с проницаемостью для воды, снизить влияние процесса преждевременного закупоривания фильтрующих пор можно путем применения различных растворов активных сред (АС).

5. Разработаны методы, позволяющие повысить эффективность выбора АС и ее оптимальной концентрации в растворе на основе определения краевого угла смачивания и методики изучения слабонапорной фильтрации.

6. Основными факторами, оказывающими влияние на эффективность электроосмотического увлажнения, являются. вид активной среды и ее концентрация, величина напряженности электрического поля и время его наложения. Разработан метод выбора оптимальных условий для электроосмотического увлажнения угольного пласта.

7. Между расходом и концентрацией электролита в жидкости при электроосмотической фильтрации существует нелинейная зависимость, максимум которой смещается в сторону меньших концентраций при увеличении напряженности электрического поля. Исследованиями показано, что с помощью электроосмотической фильтрации можно увеличить скорость увлажнения на 70%.

8. Установлена закономерность изменения расхода жидкости при электроосмотической фильтрации. Расход при электроосмотической фильтрации изменяется с течением времени, достигая своего максимального значения, впервые 0,5 -1 ч, и в дальнейшем снижается до значений, вставляющих 0,25 - 0,5 исходных.

9.На основании проведенных исследований предложена методика повышения эффективности низконапорного увлажнения путем наложения электрического поля на увлажняемую часть угольного массива, включающая выбор оптимальных условий для проведения электроосмотического увлажнения угольного массива.

10. Экономический эффект дооткгастоя, главным образом, увеличением качества увлажнения, сокращением времени на профилак-

шЧСОллС рйбоТН. уВСЛхГ^СНпСш роДНуСа УоЛалСпСплл ОТ СДННСЧНОп

скважины. Наибольший экономический эффект достигается при применении кислот, щелочей после технологического применения на химических предприятиях, в концентрациях, не превышающих норм экологической безопасности.

Основные положения дисоертации опубликованы в следующих

работах:

1. Елкин И.С. Расчет параметров увлажнения угольных пластов с учетом процесса закупоривания пор.// Вестник КузГТУ. - Кемерово: КузГТУ, 1999.-Ш. -С.18-19.

2. Елкин И.С., Дырдин В.В. Разработка методов повышения эффективности управления свойствами горных пород.// Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: Тез. докл. П Международ, на-учн.-практ, конф.-Кемерово: КузГТУ, 1997. -С. 108-111.

3. Дырдин В.В., Елкин И.С. Исследование степени влияния физико-химических параметров на угол смачивания углей.// Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых: Сб.науч.тр.-Кемерово: Кузбассуглетехноло-гия, 1999.-С.85-88.

4. Дырдин В.В., Елкин И.С. Способ выбора ПАВ при увлажнении каменных углей.// Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию: Тр. международ. научн.-практ. конф.-Кемерово: Кузбассвузиздат, 1999. -Т. 2. -С.239-241.

5. Дырдин В.В., Елкин И.С. Исследования по эффективности электроосмотического увлажнения каменных углей.// Природные и интеллектуальные ресуроы Сибири: Тр. Ш Международ, научн. конф.-Кемерово: КузГТУ, 1999.- С. 112-116.

6. Дырдин В.В., Елкин И.С. Влияние смачиваемости углей на их фильтрационные свойства.// Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых: Сб. науч. тр.-Кемерово: Кузбассуглетехнолоры, 1999.-С.88-92.

/Г