автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Создание нетрадиционных технологий эффективной и безопасной разработки тонких крутых пластов

РГБ ид

2 а ноя т

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный горный университет

На правах рукописи

КАЛФАКЧИЯН Александр Павлович

УДК 622.831.322 : 622Л 3

СОЗДАНИЕ НЕТРАДИЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЭФФЕКТИВНОЙ И БЕЗОПАСНОЙ РАЗРАБОТКИ ТОНКИХ КРУТЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 05.15.02 —«Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Москва 1994

Работа выполнена в (производственном объединении по добыче угля «Дзержинскуголь» 'Госуглепрома Украины.

Научный консультант

член-корреспондент АЕН РФ и АГН Украины

докт. техн. наук, проф. ВАСЮЧКОВ Ю. Ф.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. -КУЗЬМИН Е. В., докт. техн. наук, проф. КОВАЛЬЧУК А. Б., докт. техн. наук, проф. ЯРЕМБАШ И. Ф.

(Ведущее предприятие — Институт торного дела им. А. А. Скочинского.

Защита диссертации состоится « 1994 г.

в /7. час. на заседании специализированного совета Д-053.12.02 в Московском, государственном горном университете по ¿дресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

■ С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

• Автореферат разослан « 'У^Р'. 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, проф. КУЗНЕЦОВ Ю. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация в форме научного доклада выполнена автором на основании исследований, материалы которых опубликованы в 1984—1994 лг.

Актуальность работы. Разработка угольных пластов в Центральном районе Донбасса (ЦРД) ведется-в сложных горно-геологических условиях. Глубина работ превышает 1300 м, средняя глубина разработки составляет 960 <м. Температура пород на глубине 1100 м достигает 30—22° С. Газо-обилыюсть выработок колеблется от 25 до 70 м3/т. Наиболее опасными по внезапным выбросам угля и газа являются угольные пласты южного крыла Главной антиклинали, где выбросы отмечены на 120 шахтопласгах. Здесь произошло более 1500 выбросов и обрушении. Растет интенсивность выбросов: па глубине свыше 1000 м при сотрясательном взрывании она превышает 500 т. В ПО «Дзержинскуголь» па четырех шахтах с 1989 г. произошло С> выбросов и 17 обрушений, что свидетельствует сб эффективности примененных мероприятий. На строящихся и действующих горизонтах ежегодно пересекаются выработками более 200 вьтбросоопаспых пластов, а в шахтах ПО «Дзержинскуголь» в 1993 г. произведено 38 вскрытий.

Промышленные запасы ПО «Дзержинскуголь» представлены 53 пластами мощностью 1,1 м, 'причем более половины из них имеют мощность до 0,7 м.

Многие угольные пласты состоят из 3—4 п более пачек угля, 'различающихся по прочностным свойствам, подвержены тектонической нарушенное™ и характеризуются 'пониженной прочностью.

Несмотря на обширные научные исследования, проведенные ВНИМИ, ДонУГИ, Дон НИИ, ИГТМ АН Украины, МГГУ, ДГ'ТУ, ДГА, МакНИИ, ИГД им. Скочииского и другими организациями по совершенствованию способов и средств безопасной и эффективной разработки крутых угольных пластов, количество аварийных ситуаций остается достаточно большим, а уровень добычи угля в последние годы снижается.

Нагрузка на комплексно-механизированный очистной забой в Центральном районе Донбасса в течение шести лет держится примерно на .одном уровне — 100—120 т/сут, а число

-забоев сокращается. В 1994-г.- из этих забоев.в объединении добыто за первое полугодие 88 тыс. т угля. Среднемесячная производительность труда рабочего по добыче снизилась с •19,4 т/мес (1989 г.) до 11,2 т/мес (1994 г.). Годовой объем проведения выработок снизился с 85,. 1 км (1989 г.) до 48,1 км (1993 г.). В первом полугодии 1994 г. при объеме добычи 80>2 тыс. т средняя себестоимость 1 т угля составила около 520 тыс. крб.

В первую очередь это объясняется направленностью большинства исследований и конструкторских разработок на создание весьма материалоемкнх средств техники и технологий. В результате объем применения технологий отработки крутых пластов щитовыми агрегатами и .механизированными комплексами за последние десять лет сократился в 2 раза. Помимо чисто экономических проблем (многократно возросшая стоимость оборудования, крепей, материалов, воды и электроэнергии) существуют и технические причины. К ним в первую 'очередь относятся отставание развития шахтного фонда, слабая энерговооруженность шахт. Более 90% шахтных компрессоров отработали нормативные сроки эксплуатации, отсутствует возможность повышения потребления электроэнер-тшг как из-за нехватки резервов в электрических мощностях, так и по причине высокой ее стоимости.

Подготовка новых горизонтов не позволяет поддерживать объемы добычи угля даже на уровне 19Э1 г. Поэтому возникает необходимость в создании способов и средств эффективной и безопаской отработки угольных пластов, основанных. нь направленном изменении напряженного состояния и фмзнхо-мехаиических свойств углеггородисто массива и позволяющих отрабатывать пласты выбросоопасные и склонные к внезапным обрушениям с минимальными эиерго- н матерна-лозатратамн. В этой связи научное обоснование и разработка эффективных способов подготовки и выемки крутых, топких угольных пластов, основанных на применении физико-химического, механического и гидродинамического воздействия, на углепороднын- массив, являются актуальной научной проблемой, которая имеет важное народнохозяйственное значение и требует комплекса новых технических и технологических решений.

О,ель работы — установление закономерностей поседения углепородиого массива па больших глубинах в ЦРД, включая зоны геологических нарушений, и разработка научных основ направленного воздействия на мае сив с целью обеспечения'таких его прочностных и деформационных характеристик, которые позволили, бы 'более эффективно и безопасно как проводить и поддерживать подготовительные выработки, так "и добывать уголь.

Идея работы заключается в направленном изменении напряженного состояния и физико-механических свойств угольного массива под воздействием комплекса методов управления его состоянием — физико-химического, гидродинамического и механического воздействия, обеспечивающих более безопасное и эффективное проведение пластовых подготовительных выработок, а также скважинную добычу угля.

Методы исследований. В работе использован комплексный научный метод, включающий анализ и обобщение опыта отработки крутых угольных пластов, аналитические исследования, лабораторные и шахтные эксперименты, обработку результатов измерений с применением (методов математической статистики, промышленные испытания и внедрение разработанных способов, определение области .применения и экономической эффективности предложенных технологий.

Основные научные положения, выносимые на защиту: закономерность насыщения сложноструктурного угольного пласта выражается в стадийном характере его пропитки полимерным раствором, при котором вначале пропитываются наиболее нарушенные слои, а затем полимер укрепляет более прочные слои [5, 8, 16];

в процессе воздействия на крутой угольный пласт полимерный раствор отверждается дифференцированно, выравнивая прочностные свойства и напряженное состояние пласта, что нивелирует пиковые концентрации напряжений в ¡массиве и снижает его выбросоопасность [4, 7, 9, 15, 17];

•прочность и энергоемкость разрушения угля изменяется с ростом его насыщения полимерным раствором по параболическому закону [16, 17];

зона полимерной обработки с насыщением угля полимерным раствором не ниже 20 л/т является безопасной областью пласта относительно внезапных обрушений и выбросов угля и газа из нависающей части пласта [4„ 9, 15, 11, 16, 17].

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций автора подтверждаются:

сходимостью результатов аналитических исследований распространения в пласте полимерного раствора вокруг нагнетательных скважин с экспериментальными определениями повышения прочности угольного массива, (сходимость 85%);

большим объемом (13 участков) экспериментальных исследований и доказательством снижения смещений нависающей части крутых пластов после полимерного воздействия на 75—80%;

положительным опытом внедрения в практику физико-химических и гидродинамических методов управления состоянием угольного массива (ликвидация внезапных обрушений угольных пластов при проведении выработок и внезапных выбросов угля и газа в процессе вскрытия, пластов);

положительными результатами работы скважирного гид-роимшульсного участка по добыче угля на шахте «Северная».

Научная новизна работы. 1. Установлены закономерности поведения углеиородного массива при физико-химическом, гидрЬймпульсном и камуфлегно-взрывном воздействии на него, заключающиеся в выравнивании прочностных свойств пласта, послойном разрушении массива в процессе гидроимпуль-сното воздействия и перемещении зоны концентрации напряжений в глубь'массива при камуфлетном взрывании.

2. Предложены аналитические решения процесса распро-' странения рабочей жидкости в массиве при его обработке полимерными растворами и тидроимпульсном воздействии, отличающиеся комплексным учетом как свойств угольного пласта и самих растворов, так и их изменения в процессе обработки массива, па базе которых разработаны математические модели, позволяющие определить влияние горно-геологических факторов на процесс пропитки угля и параметры способов.

б. Установлено, что обработка полимерным раствором угольных Пластов многопачечного строения приводит к преимущественному упрочнению наиболее нарушенных пачек угля и относительному выравниванию прочностных свойств пласта.

4. Впервые предложена методика определения радиуса эффект л-нного влияния нагнетания'полимерных растворов, по-"зволякхцая устанавливать зону физико-химического воздействия, где вероятность внезапных выбросов и высыпаний сведена к минимуму.

. 5. Определены характер и основные параметры деформирования горного массива при различных способах поддержания подготовительных выработок, позволившие объективно оценить эффективность применения нетрадиционных способов управления состоянием 'массива.

6. Установлена слсжностепенная зависимость радиуса отбойки угля из 'скважины от прочности, упругости угля и модуля спада давления.

Научное значение работы:

установление закономерности распространения полимерно-то раствора 1в пористо-трещиноватом угольном пласте с учетом массоебмена между трещинами и блоками пласта до начала отверждения раствора;

доказательство явления повышения равномерности прочностных свойств угольного пласта после физико-химического воздействия на него на основе дифференциации насыщения пласта по его пачкам;

разработка методики определения радиуса аффективного гидровоздействия на пласт;

, обоснование перспективных схем'подготовки свиты крутых тонких пластов на основе использования методов управления свойствами и состоянием массива.

Практическое значение работы: >

установление оптимальных параметров физико-химическо-, го и гидродина мического воздействия на угольный массив;

разработка технологической схемы полимерного укрепления тонких крутых угольных пластов, склонных к внезапным обрушениям и выбросам угля, таза и 'внезапным обрушениям угля;

обоснование параметров процесса гндроимпульсного воз-■ 'действия на угольный пласт для скважинной добычи угля в условиях Центрального района Донбасса;

; разработка способа поддержания подготовительных горных выработок, основанный на предварительной разгрузке Iгорного массива от напряжений с последующим его упрочнением и пластификацией.

Реализация работы. Результаты исследований и рекомендации автора использованы б нормативном документе «Руководство по (применению физико-химического способа предотвращения обрушений угля и снижения выбросоопасности крутых пластов Донбасса при проведении подготовительных выработок» (Москва — Дзержинск, 1987 г.).

Результаты исследований и разработок использованы при составлении «Типовых паспортов проведения подготовительных выработок на крутых пластах» и «Типовых технологических схем подготовки, отработки и изоляции шахтных полей и выемочных участков на крутопадающих пластах, склонных к самовозгоранию», утверждены Госуглепромом Украины и согласованы с Госгортехнадзором. Технологии вскрытия, пластов, проведения и поддержания подготовительных выработок внедрены на шахтах Центрального района Донбасса.

'Результатами практической реализации диссертации доказано, что нетрадиционные технологии подготовки и добычи угля в условиях Центральното района Донбасса принципиаль-ально осуществимы и позволяют -снизить трудоемкость подземного, труда до 40%. Доказательствами являются существенный экономический эффект и повышение безопасности горных работ.

Таким образом, обширные промышленные исследования, отраженные в диссертации, позволили разработать технологии подготовки и добычи угля, которые являются крупным вкладом в научно-технический прогресс в угольной лромыш,-ленности.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на НТС производственных объединений «Ар-темутоль» и «Дзержинскуголь», ученых советах МРГУ, ДГТУ,

ДонЖИ, ИГТМ и ДонФТИ АН Украины. «Автоматизированная технологическая схема воздействия на опасные >по выбросам и высыпаниям пласты полимерными соединениямия-.экс-понировалась и удостоена медалей 1ВД1НХ СССР.

Публикации. Содержание работы опубликовано в 7 моног графиях и 112 статьях. По результатам исследований получено 2 авторских свидетельства на изобретения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ

Задачам эффективной н ебезопасной отработки крутых угольных пластов Центрального района Донбасса уже длительное, время, посвящены исследования многих научных и проектных организаций. Вместе с тем технология добычи угля мало изменилась: по-прежнему основную нагрузку несут молотковые лавы, наблюдается- тенденция к снижению 'и того незначительного уровня механизированной добычи, максимум применения которой был достигнут к девяностым годам. Остается нерешенной пробле'ма отработки выбросоопасных пластов, особенно их вскрытие. К этим проблемам добавилась проблема предотвращения внезапных обрушений угля как при. прохождении подготовительных пластовых .выработок, так и в очистных забоях [17].

Наметилось новое направление в науке, основанное на активном управлении напряженно-деформированным состоянием торного массива при малоэнергоемких воздействиях на него. Оно получило свое обоснование в работах А. Ф. Булата, В. В. Виноградова, А. Н. Зорина, В. Н. 'Погураева, К. К. Софийского и др.

¡К малоэнергоемки'м воздействиям, способным активно управлять напряженно-деформированным состоянием, горного массива, относятся физико-химическая обработка массива полимерными, гелеобразукмцими и 'поверх'ностно-активными веществами и гидроимпульсная обработка, получившие развитие в работах А. Д. Алексеева, В. В, Васильева, Ю. Ф. Васюч-кова, В. Е. Забигайло, В. В. Кары, В. В. Репки и др. Воздействие через скеэжины на массив незначительным количеством 'вещества за достаточно короткий период позволяет снижать напряженное состояние горного массива и предотвращать такие явления, связанные с высвобождением большого количества энергии, как внезапные 'выбросы угля и газа или внезапные обрушения массива. Вместе с тем, несмотря на достигнутые успехи в области теории и практики направленного воздействия на углепородный массив с целью изменения его напряженно-Деформированного состояния и физико-механических свойств, ряд принципиальных вопросов управления ус-

тойчийостью угольного массива, вскрытия выбросоопасных пластов, охраны подготовительных выработок, на больших глубинах требует своего решения. Особенно актуальна проблема создания скважинной технологии добычи угля.

¡К важнейшей нерешенной проблеме относится обеспечение направленного изменения напряженно-деформированного состояния углепородного массива в условиях проведения выработок в тектонических нарушениях [5].

Решению указанных проблем могут способствовать нетрадиционные малоэнергоемкие технологии [8]:

физико-химическая! обработка угольного массива полимерными растворами и растворами лигносульфонатов; ¡гидроимпульсное воздействие на угольный пласт; ■взрывное воздействие на горный массив с последующей отработкой его растворами ПАВ.

Технологии основаны на скважинных методах и поэтому перспективны для создания нетрадиционных, бесшахтных способов разработки угольных месторождений. Параметры и процессы указанных технологий являются задачами исследований настоящей работы.

Актуальность выбранных направлений, таким .образом, определяется как потребностью решения сложных научно-технических задач сегодняшнего дня, так и необходимостью создания научного задела разработки бесшахтных технологий добычи угля из крутых лластов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ МАЛОЭНЕРГОЕМКИХ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

2.1. Физико-химическая обработка пласта полимерным раствором

¡Как показали экспериментальные исследования С. Ю. Андреева, В. Г. Аршавы, Ш. С. Ержанова, А. Н. Зорина, В. Г. Колесникова, В. Н. Реввы, Е. С. Розанцева, И. Л. Черняка, С. А. Ярунина и др.., уголь обладает как упругими, так и неупругими свойствами, причем в пластах с повышенными пластичными и реологическими характеристиками внезапные выбросы-угля и газа практически не происходят. Если в угольном пласте направленно изменять физико-механические свойства, увеличивая неупругую составляющую, то это приведёт к уменьшению вероятности как возникновения внезапных выбросов, так и обрушений. Помимо потери способности угля к хрупкому и динамическому разрушению, направленное изменение свойств газоутолыной среды приводит к существенному изменению роли газового фактора путем частичного блокиро-

вания 'метана в системе мелких трещин и пор в процессе пропитки угля и частичного его вытеснения из пористой среды в процессе нагнетания. Существует ряд химических веществ, воздействие которых на угольный пласт приводит к изменению его упругих свойств. Это — растворы полимеров на основе мочевиноформальдегидных смол, которые при отвердении в угле способствуют уменьшению хрупких свойств угля; лиг-носульфонаты (ЛС), которые являются сильными пластификаторами угля за счет заполнения макропор, и растворы ПАВ [16], /

Рассмотрим закономерности распространения /полимерного раствора в углепородноМ' 'массиве. Прежде всего следует учесть структуру угольного массива. Ранее установлено, что пустоты, встречающиеся в природных углях, генетически и морфологически делятся на два класса: стереалоры (поры) и трещины.

Исследованиями МГГУ и ИГТМ АН Украины установлено, что: для проникновения полимерных растворов на основе мочевиноформальдегидных смол доступны поры порядка 6 мкм. Поскольку в этом классе пустот трещины преобладают над микропорами, 'при изучении протекания основных фи-' зцко-химических и гидродинамических процессов, возникающих при обработке угля полимерны-м раствором, следует трещины рассматривать в качестве основного места взаимодействий. Из всех видов трещиноватости следует в первую очередь рассматривать экзогенную, связанную с различными тектоническими процессами и наиболее развитую на крутопадающих пластах, в зоне геологических нарушений. Причем она проявляется, по данны'м И, И. Амосова и И. В. Еремина, не по всей мощности пласта, а в отдельных пачках. Повышение степени трещиноватости угля сопровождается ростом его хрупкости в 2—2,5 раза.

Исходя из вышеизложенного, можно процесс распространения полимерного раствора в угольном пласте рассматривать как процесс движения жидкости в трещиновато-пористой среде [8].

Важной с гидродинамической позиции особенностью полимерного раствора является зависимость его вязкости от диаметра ¡каналов фильтрующей среды. С уменьшением размеров пор 'вязкость раствора увеличивается из-за отфильтрова-ния наиболее крупных агрегатов макромолекул полимера: Как показали лабораторные исследования, трехкратное фильтрование через фильтр с раз'мером отверстий 16 мкм 24%-но-го полимерного раствора на основе смолы КМ-3 снижает его вязкость с 11,5 до 1,6 МПа-с. Так как диапазон зияния тре-. щнн достаточно широк '(1—200 мкм), следует рассматривать процесс распространения раствора в угле как бирежимный:

/первый режим соответствует движению по трещинам'с.зиянием более 100 мкм, когда вязкость раствора не зависит от диаметра пор (трещин) и приближается к вязкости воды;

второй режим соответствует движению по трещинам с зиянием менее 100 мкм, когда вязкость раствора зависит от соотношения размеров макромолекул полимера и размеров трещит!. Тогда движение жидкости в угле можно описать системой уравнений:

— (/«,£» + а1 V (о 1Л) - ц = О,

— + (?'/,) + £== о. (1)

аЬ

где Ши Ш2 — пористость трещинная и блока угля, м3/м3; ё — функция, характеризующая интенсивлость обмена жидкостью между трещинами и блоками, кг/м3-с; р — коэффициент, характеризующий интенсивность обмена, м-с/кг; V — скорость движения жидкости, м/с; |3—плотность жидкости, кг/м3; Р — давление жидкости, Н/м2; индекс 1 относится к системе трещин, индекс 2 — к системе блоков.

Вследствие того что проницаемость блоков значительно ниже, чем проницаемость трещин, второе уравнение в системе (1) исключается. Для определения величины удельного насыщения угля полимерным раствором пользовались приближенным аналитическим выражением

-е^ с (2)

где Шо— величина предельного насыщения угля (породы), м3/м3; а — коэффициент, характеризующий скорость пропитки блоков угля жидкостью, (Па-с)-1; |—'показатель скорости внедрения полимерного раствора в трещиновато-пористую среду, с-4 ; Рс—давление в скважине, МПа; хо — расстояние . от нагнетательной скважины.

Величина удельного насыщения угля полимерным раство-' ром зависит от времени обработки и от расстояния до нагнетательной скважины. Для условий пласта «Толстый» (тй):

а == 0,5-Ю"2, 1/(11а-с); ; = 3• 10"2, с"4: -№. = 2, м'/м3. (3)

. ,С помощью графиков определили размер области угольного пласта, в которой удельное насыщение не .менее уровня, . обеспечивающего условия предотвращения внезапных выбросов. Радиус эффективного влияния нагнетательной скважины предлагается определять по формуле

где Я,—радиус гидравлического влияния скважины, м; & — проницаемость угольного лласта, м2; А, —требуемый уровень удельного насыщения, м3/м3; е — коэффициент анизотропии свойств пласта, е = 0,8—0,85.

Новым в (4) является введение величины Л,. Экспериментальная проверка в шахтных условиях ПО «Дзержинскуголь» показала, что при величине удельного насыщения более 5 л/т расчетная и фактическая (по результатам отбора проб из зоны обработки) величины практически совпадают.

На основе (4) предложена формула расчета объема закачки полимерного раствора в скважину в забой подготовительной выработки:

<3Р = 2/?в1,-?уд-ю-р-(/г-г /«.МО'3, т, (5)

где Эф—аффективный радиус обработки, м; <?уд —удельное насыщение полимерным раствором пласта (пачки), м3/м3; т — мощность пласта ('пачки), м; р —.плотность угля в массиве,, кг/м3; /г —глубина герметизации скважины, м; </„„ —величина неснижаемого опережения обработки пласта относительно забоя выработки, м.

Удельное насыщение пласта колеблется 'и зависит от проницаемости и 'приемистости 'пласта.

С целью оценки и эффективности применения полимерных композиций для предотвращения газодинамических явлений были выполнены лабораторные и шахтные эксперименты по определению физико-механических и энергетических характеристик угля в зависимости от степени его насыщения полимерными растворами и времени их отверждения. Была разработана специальная методика, основанная на применении образцов'правильной формы — круглых брикетов, изготовленных из исследуемого выбросоопасного угля. Это 'позволило обеспечить однородность характеристик угля в образцах и повысить уровень сопоставимости полученных результатов. Путем подбора фракций угля обеспечивались необходимые фильтрационные характеристики. Наибольшее 'подобие обеспечивалось при использовании фракций, угля 2—5 мм.

Время отверждения раствора изменяли от 3 до 120 ч, а концентрацию полимерных композиций на основе мочевино-формальдегидной смолы типа 'КМ-2 (КМ-3) и отвердителей (щавелевой,' соляной кислоты, хлорного железа и т. п.) изменяли от 18 до 45% [8].

Результаты экспериментов ¡позволили установить, что про-■пнтка образцов утля полимерным раствором повышает их сопротивление сжатию от 0,1 до 8,5 МПа. Отмечено, что влияние концентрации полимерного раствора и времени его отвер-ж'дения на прочность и энергоемкость разрушения, которая определяется по графикам «нагрузка — деформация», как площадь по таким графикам, существенно различно. Так, ус-

ff, МПа

В5 '

20

15

10 5

О 10 SO 30 W, л/т

Рис Л. Гра ïwui гарпсншостя jroniiocrn Ь и энвргсзш:осги рс-^'.-угонпя А угля от

УДОЛЬИОГО ГГО 1ЮС!ГРНПЯ ПОЛИ!ГОрН :1Г* pS С TV о ром.

гановлено, что увеличение концентрации полимера в растворе оказывает большее влияние на увеличение прочности, чем период его отверждения.

Увеличение концентрации полимера в 2 раза (до 36%) привело к возрастанию энергоемкости разрушения более чем в 4 раза, вместе с тем рост времени отверждения в 20 раз (от 4 до 80 ч) привел к росту того же показателя лишь в 2 раза. Для оценки зависимости исследуемых свойств угля от параметров полимерного раствора был выполнен регрессионный а тализ результатов экспериментов с последующей оценкой адекватности полученных моделей по критерию Фишера Т7. Для всех выборов было соблюдено условие /7</'Кр ,тде /\р — критическое значение критерия для конкретных выборок. Надежность экспериментальных данных оценивалась уровнем 90—95%.

В табл. 1 приведены результаты эксперимента.

Таблица 1

Область Исследуемые свойства -

Параметры рациональных значений МПа Е, МПа Л, кДж/м3

Время отверждения, ч 18-110 Вся область варьирования 18-110 2; ,5-120

Концентрация по сухому остатку, % 24-45 21— 15 20-45 24,5—45

Примечание. стск — предел прочности на сжатие; Е — модуль Юнга; А —<энергоемкость разрушения.

Оптимальными параметрами рабочего раствора полимера для физико-химической обработки выбросоопасных пластов с целью перевода их в невыбросоопасное состояние рекомендована концентрация раствора на основе репителя КМ-3 и вре-:мя надежного отверждения 20—110 ч. На рис. 1 приведены ' графики зависимости прочности и энергоемкости угля от удельного насыщения полимером». Максимальное значение прочности соответствует величине удельного насыщения полимерным раствором примерно 25 л/т и в 2 раза превышает уровень энергоемкости у необработанных образцов. В целом в диапазоне 15—ЗОл/т (-2—4,2%) прочностные и энергетические показатели существенно не изменяются, поэтому при выполнении шахтных экспериментов -принимали величину удельного насыщения 15—ЗОл/т [46].

2.2. Воздействие на угольный массив растворами лигносульфонатов

Активным воздействием на угольные пласты, как и полимерные отверждающие растворы, обладают и пластифицирующие водные растворы лигносульфонатов. Они являются отходами целлюлозно-бумажной промышленности, поэтому экономически более выгодны по сравнению с полимерными растворами. Физическая сущность взаимодействия лигносульфонатов (ЛС) заключается в блокировании таза в порах и препятствии переходу потенциальной энергии газа в кинетическую энергию выброса, а также в пластификации угольного массива.

'Нашими экспериментальными исследованиями установлено, что процесс распространения ЛС-растворов в углепород-ном 'массиве аналогичен процессу при (применении полимерных растворов на основе смолы КМ-3 и для определения радиуса эффективного влияния нагнетательной скважины можно воспользоваться формулой (4). Экспериментальное и теоретическое обоснование использования ЛС в шахтах приведено в работах В. Е. Загибайло, Ю- Ф. ,Ва-сючкова, В. В. Репки. Нами проведены широкие шахтные исследования и разработаны параметры способа [ТО].

Влияние пластифицирующей физико-химической обработки на вьгбросоопасный пласт проявляется в изменении ряда свойств угля: уменьшается пустотность массива, снижается (до 15%) 'предел прочности на растяжение.

Отличительной особенностью физико-химической обработки пластов пластифицирующими и полимерными растворами является механизм протекания физико-химических явлений в угле. Обработка растворами ЛС приводит к пластификации с одновременным подавлением явлений набухания и охрупчи-вания и происходит на меж- и макроструктурных уровнях. Обработка же пластов полимерными растворами происходит на •■межструктурном уровне и сопровождается процессами увеличения прочности всех пачек угля при возрастании энергоемкости разрушения.

2.3. Гидродинамическое воздействие на угольный пласт

Гидродинамический способ добычи угля через скважины прошел промышленные испытания в ПО «Дзержинскуголь».

Сущность его заключается в следующем.

На угольный пласт из горной выработки 'бурится технологическая скважина, которая обсаживается трубньгм ставом и устье ее герметизируется. В пласт насосом через скважину подается вода и создается избыточное давление. Затем с помощью специальной быстродействующей задвижки, разме-

щенной п устье скважины, производится за короткий промежуток времени сброс давления жидкости в скважине. Это приводит к разрушению призабойной части угольного пласта. Образовавшаяся смесь разрушенного угля с рабочей жидкостью и выделившимся газом поступает в выработку. Весь этот процесс сопровождается интенсивным трещинообразова-нием, быстрой дегазацией пласта и выносом разрушенного угля из скважины при сбросе давления. Способ особенно работоспособен на выбросоопасных пластах [21, 10].

Вокруг горной выработки в пласте формируется зона неупругих 'деформаций, размеры которой определяются прочностными характеристиками пород, глубиной и склонностью пород к хрупкому разрушению и характеризуются так называемым модулем спада. При модуле'спада М, близком к нулю, горные породы проявляют себя как идеально пластичные, а при высоком значении модуля — как идеально хрупкие. В свою очередь хрупкость горных пород зависит от вида напряженного состояния. Так, при переходе от одноосного к 'гидростатическому горные породы могут изменять свои свойства .после достижения предела прочности от квазихрупкого разру-шеннл до псевдопластического течения. Непосредственно после бурелия скважины уголь проявляет себя как псевдопластичный материал и вокруг скважины формируется некая зона неупругих деформаций. С течением времени происходит перераспределение напряжений вблизи скважины и уголь проявляет себя как -хрупкий материал, что в свою очередь способствует развитию зоны неупругих деформаций. Этот процесс сопровождается дегазацией приконтуриой области скважины.

Для привлечения в процесс разрушения энергии газа необходимо создавать в околоскважинной части угольного пласта значительные градиенты давления газа.

Скорость фильтрации газа в угле определяется по формуле

у = (6)

¡1 (1г

где й — коэффициент проницаемости, м2; р/—вязкость, Па-с; йР/йг — градиент давления, Па/м.

Из анализа формулы следует, что при уменьшении вязкости давление внутри угольного массива будет падать при од-• пой и той же скорости фильтрации, что существенно затрудняет процесс создания 'необходимого градиента давления. Следовательно, газовая среда для передачи давления не подходит. Необходимо использовать в этом качестве жидкость, имеющую на несколько порядков более высокую вязкость. Кроме того, жидкость препятствует выходу газа из пласта, т. е. концентрирует энергию газа вокруг скважины.

В работе [15] на основе анализа процессов, возникающих в угле под действием сил отрыва при 'кратковременном сбросе давления скважин, получена формула для определения условий отрыва. Они возникают, если выполняется неравенство

ДР > (1 + --у—- ) — . (7)

\ 2(гс1Ь) + \] т,

где АР — разность давлений между скважиной и пластом, МПа; ор—прочность угля на разрыв, МПа; ¿ — глубина отрыва слоя угля от массива, м; т — пористость угольного пласта; г с — радиус скважины, м.

-При прочности угля Стр = 1 МПа и его пористости т. — 0,05 необходимо создать разность давления порядка 12 МПа. Вместе с тем выполнение только этого условия для обеспечения отрыва угля недостаточно. Необходимо также обеспечение условия, чтобы работа сил вязкого трения превышала работу, необходимую для создания новых поверхностей, образующихся при отрыве слоя угля: Имеем:

• А, > И,; (8)

Л = (9)

А? — (1 ■)

тде /ч—сила трения, Н; V — скорость отрыва угля, м/с; tc —время отрыва угля (выброса), с; Е,п — эффективная поверхностная энергия, для углей £-.,„ = 10 Дж/м2; 5>т —вновь образующаяся поверхность угля, м2,

5уг =2п(гс+й)Л; ■ (11)

/г — мощность пласта, м.

Подставим значения (9) и (10) в (8) и получим

(12)

с' кпл[2гс+Ь)

где кт — проницаемость призабойной зоны пласта вокруг скважины, м2.

Из (12) ,можно оценить время выброса:

¿с >0,01 с.

Такое ограничение вызвано тем,, что при очень малом времени сброса возникают 'большие скорости фильтрации и тем самым импульс расходуется на сообщение жидкости большей скорости.

Минимальная величина давления определяется из условия равенства размеров зон хрупких и пластических деформаций вокруг скважины:

+ (13)

1) + о»ж

где Р0 — давление в скважине до гидродинамического воздействия, МПа; . 1 -f sin и

А—-1--¡параметр, зависящий от угла внутреннего

1 — sin ¡j 2 у/У -с?ж

трения р;

параметр, характеризующий прочностные Ь 1 свойства угля, МПа; Н — глубина горных работ, 'м; у — удельный вес пород, кН/м3.

Если не выполняется условие (8), то разрушение присква-жинной области произойдет через N циклов:

= (14)

А*

Разрушение призабойной части приводит к увеличению его трещиноватости и интенсифицирует процесс метановыде-лениял. В результате выполненного анализа [15] определено количество добытого угля, необходимого для обеспечения безопасного по условию выбросоопасности давления газа (по данным ВНИМИ и МакНИИ, оно равно 0,5—1,0 МПа). Для различных пластов с учетом их фильтрационных и физико-механнческих свойств это количество должно составлять от 5 до 20% общего ¡количества угля в зоне воздействия.

Сформулированы основные закономерности процессов и разработаны параметры технологии. При сбросе давления жидкость за счет сил вязкого трения увлекает за со'бойуголь и тем самым инициирует разрушение прискважинной части пласта. Возникающая ттри этом волна разрушения распространяется в глубь массива. Отбитый уголь заполняет скважину и выносится в выработку. При этом сдерживающими факторами являются «пропускная способность скважины, а также размер разрушенной зоны. Чтобы обеспечить свободный выпуск угольно-водяной пульпы, предложено производить повторные циклы «подача—сброс» давления жидкости.

Основные параметры гидродинамического воздействия на пласт в процессе добычи угля [15]:

рабочее давление жидкости в скважине, МПа 2—7

давление жидкости в скважине 'при сбросе, МПа 1—3

время сброса давления, с 0,01—0,1 количество циклов «подача — сброс», необходимых для инициирования разрушения угля 5—20 'вязкость рабочей жидкости, Па-с Ю-3 проницаемость .пласта, м2 Ю-18— Ю-15 ■пористость пласта, % 4— 12 глубина разрушения пласта за один цикл «подача — сброс», м 0,5—0,6 диаметр скважины, м до 0,2.

2.4. Воздействие на угольные пласты растворами ПАВ

Одним из перспективных способов управления напряженным состоянием углепородного массива, предложенных и разработанных в ДонФТИ АН Украины и МГГУ, является предварительная его обработка водными растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ), подаваемых .под давлением через скважины. Нагнетание водных створов ПАВ в угольный пласт приводит к его разрушению за счет интенсивного прорастания системы трещин, чему способствует наличие в растворе ПАВ. Происходит разгрузка от действующих напряжений массива,,метан по трещинам дренируется из угля, тем самым снижается его выбросоопасность. Для контроля эффективности увлажнения угля в ДонФТИ АН Украины создан метод, основанный -на изучении спектров ядерно-;магнитното резонанса образцов увлажненного угля, "позволяющий оперативно и с большой степенью надежности выполнить анализ проб. Лабораторные эксперименты поставлены в ДонФТИ и МТГУ, нами проведены шахтные эксперименты.

(Проведение горной выработки, приводит к изменению напряженного состояния в окружающем ее горном массиве. Первоначальные напряжения обычно оцениваются по гидростатическому давлению на данной глубине, т. е. 0,1 уН. Степень изменения напряженного состояния после проведения выработки принято оценивать коэффициентом концентрации напряжений, .который обычно принимается от 1,5 до 2,0. Следовательно, напряжение в массиве непосредственно вблизи контура выработки почти удваивается, что способствует интенсивному разрушению-углепородного массива и созданию зоны неупругих деформаций, так как горные породы имеют малую пластичность. Величины пластических деформаций в значительной степени зависят от времени нагружения угля, поэтому зона неупругих деформаций имеет тенденцию к рос-, ту и распространению в глубь массива. Под действием сил нарушенные горные породы на контуре стремятся переместиться внутрь выработки [9].

Идея способа состоит в выравнивании напряжений в окружающем выработку массиве за счет перевода пород в квазипластическое состояние при его обработке водными растворами |ПАВ. Как известно, интенсивное прорастание трещин в угольном пласте при внедрении в него растворов ¡ПАВ обеспечивает создание новых систем трещин, дренирование из угля газа и создает, структуру с преобладанием пластических свойств. При этом обработанный массив 'претерпевает большие деформации, что способствует снижению уровня повышенных напряжений, выравниванию его по всей ширине зоны обработки за счет выравнивания прочностных свойств. Зона ■повышенных напряжений перемещается за пределы контура обработки.

3. ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРОВЕРКА НЕТРАДИЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УПРАВЛЕНИЯ СВОЙСТВАМИ И СОСТОЯНИЕМ УГОЛЬНОГО МАССИВА

3.1. Вскрытие выбросоопасных пластов

Промышленные испытания нетрадиционных технологий проведены на многих участках шахт ЦРД. Для использования новых, технологий выбирали сложные -участки, где решение проблем повышения устойчивости массива встречало серьезные трудности [1].

Одна из основных проблем отработки крутых угольных пластов Центрального района Донбасса—предотвращение внезапных выбросов угля, породы и газа. Разработаны и широко применяются региональные и локальные способы борьбы. Однако в ряде случаев применяемые методы не дают должного эффекта или оказываются технически неосуществимыми. В первую очередь это относится к отработке особо выбросоопасных пластов в незащищенных зонах и в условиях зон П:ГД. Начиная с 1985 года, на шахтах Центрального района Донбасса в качестве основного способа предотвращения выбросов угля и газа при вскрытии угольных пластов, в том числе в зонах тектонических нарушений и повышенного горного давления, применяется способ предварительной обработки пласта твердеющими и пластифицирующими растворами.

При реализации разработанного с участием автора способа для нагнетания раствора с расстояния не менее 2,5 м от забоя вскрывающей выработки до пласта по нормали бурят равномерно по контуру семь скважин таким образом, чтобы скважины полностью пересекали пласт за 4 м от контура будущего пересечения выработки с пластом. Расстояние между забоями скважин 5—6 м. Схема расположения скважин показана на рис. 2. В середине по оси выработки бурится компенсационная скважина. Многочисленные эксперименты- пока-

2

17

зали надежность гибких гидрозатворов, поэтому диаметр скважины уменьшили до 45 мм'и 'полностью отказались от их герметизации при помощи цемента [2,3].

Для приготовления полимерного раствора в качестве смесителя использовали специальную установку на колесной базе с дополнительными емкостями, крышками и штуцерами в нижней части диаметром 3/4 дюйма. Подробно технология приготовления растворов изложена в [4, 5, 6]. При помощи насосной установки растворы смолы и огвердителя закачивали в скважины. Давление подачи не превышало 0,75 Н. Время подачи регламентировалось достижением насыщения угля раствором не менее 20 л/т или до момента выхода раствора в соседнюю или компенсационную скважину.

Количество раствора определяется из условия обработки массива угля впереди забоя, ограниченного 6—8-метровой полосой за контуром вскрывающей выработки. Для обычных сечений вскрывающих выработок в Центральном районе Донбасса и средних мощностях пластов при одном вскрытии закачивали примерно 10 м3 раствора за 5—7 смен. Контроль за качеством обработки^ (необходимый уровень насыщения, равномерность пропитки) осуществляется при помощи метода ядерно-магнитного резонанса (ЯМ-Р), прочностномером П1 или по влажности [17, 19] отобранных проб. Физико-химическая обработка (ФХО) считалась выполненной качественно, если содержание полимера в каждой пробе составляло не ниже 0,5%.

Критериями эффективности такого противовыбросного мероприятия является как снижение после ФХО давления газа ниже '1,0 МПа, так и уменьшение скорости газовыделения — ниже 5 л/мин.

Дополнительно было предложено использовать энергетический критерий подготовительной фазы внезапного выброса, разработанный в ИГД им. А. А. Скочинского, который осно-в'ан на оценке энергоемкости разрушения угля. Выброс может возникать при выполнении неравенства

"->*■' >1.' (15,

9£ 9

где V—коэффициент Пуассона; — коэффициент интенсивности напряжений; Е0 — модуль упругости -вмещающих пород; Эп—параметр, характеризующий максимальную поглощаемую углем энергию.

Как установлено экспериментально, энергоемкость разрушения угля (а с ним непосредственно связан параметр Э) после применения ФХО увеличивается примерно в 2 раза [8, 11, 17]. Следовательно, 'значение левой части в (15) уменьшится также примерно в 2 раза, тем самым существенно уменьшится вероятность внезапного выброса угля и газа.

Рис. 2. Технологическая схема способа вскрытия крутого зы-бросоопасного пласта с использованием физико-химического воздействия:

1—7 — нагнетательные скважины; 8 — комш'чсящышмя гкнз'-кмпя

Рис.; 3- Схема расположения оборудования при гидродинамическом воздействии:

; .1 — задвижка; 2.—устройство дистанционного управления потожоы жил-кости; 43 — ыанЬыетр; '4, косные установки; 6 —^обсаднаятрубд; ;7— пульт управления. • , ; .. ;

За период с 1985 г. по настоящее время всего произведено более 90 вскрытий угольных пластов на шахтах ПО «Артем-уголь», «Дзержинскуголь» и «Орджоникид'зеуголь». В табл. 2 и 3 представлены наиболее представительные данные. Ни в одном из случаев вскрытия не было зарегистрировало внезапных выбросов, что позволило высоко оценить надежность способа.

Технологическая схема вскрытия с использованием ФХО в типичном случае включала бурение нагнетательных и контрольных скважин через'породный слой, нагнетание полимерных или пластифицирующих соединений, проведение контрольных наблюдений и вскрытие пласта [8, 15, 16].

Для вскрытия крутых угольных пластов с использованием способа, основанного на гидродинамическом воздействии на угольный массив были выполнены экспериментальные работы на 7 шахтах и 17 пластах, в том числе в ПО «Дзержинск-уголь» на шахтах им. Артема, «Северная», им. Ф. Э. Дзержинского; в ПО «Артемуголь» на шахтах «Кочегарка», им. Изотова, им. Гагарина; в ПО «Орджоникидзеуголь» на шахте «Юлком». Оборудование, необходимое для реализации способа, в основном состояло из серийно выпускаемого и включало буровые станки НКР-Ю5м или 34В-150, ЛВС; вы-соконашорные насосные установки НВУ-ЗОм, УН-35, УНШ-3 с пневмоприводами и высоконапорными шлангами; насос для подачи цементно-иесчаного раствора; тонкостенные металлические трубы с наружным диаметром 96 мм, рассчитанные на давление более 30 МПа; гидроцилиндры, рассчитанные на давление 20 МПа. На рис. 3 приведена схема расположения скважин, оборудования и приборов гидроимпульсного воздействия на пласт.

Специально были разработаны аппаратура для дистанционного (с расстояния 80 м) управления процессом и устройства для гидродинамического воздействия. Разработаны вме-стве с сотрудниками НИП'Ирудмаша [10] технические требования к новому буровому оборудованию, позволяющему ускорить процесс бурения и обеспечить более точную направленность скважин.

Для контроля состояния массива и происходящих в нем процессов был использован метод сейсмоакустической активности с применением аппаратуры и методики, разработанной в ДонНИИ. Как показали эксперименты, во время гидродинамического воздействия на пласт сейсмоакустическая активность его возрастает до 35 импульсов в час, что свидетельствует об активном процессе разрушения угля в скважине.

Были разработаны основные требования к подготовке забоя для проведения гидродинамического воздействия на пласт через породную пробку [10]:

2*

19

в

Таблица 2

Результаты вскрытия пластов после их физико-химической обработки

■Шахта, производственное объединение Индекс пласта Горизонт, м Параметр * Давление газа в пласте, МПа Газовыделение, л/мин

Вещество до обработки после обработки до обработки после обработки

им. Ю. А. Гагарина ПО «Ар-

темуголь» т3 710 КМ-2 ■ 3,5—4,3 0 118,0 0

им. К- Маркса ПО «Орджо- к 875 КМ-2 1,5 0 0,9 0

никидзеуголь» и 87 5 КМ-2 1,2*3 0 1,2 0

и 875 КМ-2 1,1 0 0,8 0

к 750 КМ-2 1,6 0 2,0 0

к 7Г>0 КМ-2 0,6 • 0 2,0 0,1

и 875 Гель 1 ,3 0 0,0 0,1

к • 875 » 1,0 0 8,0 0,1

«Кондратьевка» ПО «Артем- 750 ■ 0,3

уголь» ь КМ-2 0 1,8 0

«Александровская» 560 ЛС 1,3 0,2 2,2 0,1

«Булав и некая» и 459 ЛС 1,6 0,2 8,2 0,2

«Ольховатская» к/ 540 ' ЛС 1,2 0,2 10,8 4,7

«Юнком» ПО «Орджоникид-

зе уголь» к/ 826 ЛС 3,7 0,0 4,1 0,35

«Ольховатекая» 540 ЛС 2,2 0.2 10,2 3,8

* Количество раствора — до 40 м3; давление нагнетания — до 14 МПа; удельное насыщение — 14—22-л/т. Примечание. ¡Результаты вскрытия пласта во всех случаях — без выброса.

Таблица 3

Результаты вскрытия крутых угольных пластов в зонах геологических нарушений после их физико-химической обработки

Шахта, производственное объединение Горизонт, м Вещество Характер нарушения Давление газа в пласте, МПа Скорость газовыделения, л/мин

до обработки После обработки до обработки после обработки

«Кочегарка» ПО «Артем- Флексура с амплитудой 30—

уголь» 970 КМ-2 40 м 0,4 0,9 0

им. Дзержинского |ПО

«Дзержинск уголь» 916 КМ-2 Артемовский надвиг 2,4 0,8 9,2 0,2

«Булавинская» ПО «Орджо- Мелкоамплитудные наруше- 1.2 0,2 5,2 0.1

ммкидзеуголь» . 890 КМ-2 ния

Примечание. Результаты вскрытия — во всех случаях нет .выбросов.

бурение технологических скважин (не менее 3) должно производиться под углом не менее 10—15° к горизонтальной оси выработки с выходом на 1,5 м за ее проектный контур;

скважины по всей длине породной пробки должны быть затам'понированы цементно-песчаным раствором; забои скважины должны быть герметичными; • процесс гидродинамического воздействия производится в непрерывном цикле;

газ из массива аыпускается только после окончания работ по закачке воды.

Фактически за один цикл «подача—сброс» извлекалось до 0,25 т угля при расходе рабочей жидкости 0,3—0,4 м3/т разрушенного угля и при диаметре скважины 150 мм [10].

Для качественной оценки величины зоны разупрочнения угольного пласта и определения 'наличия в нем .полости в месте пересечения пластов выработкой выполнены замеры электрического сопротивления массива до и после обработки с применением электроразведочной аппаратуры.

В результате проведенных промышленных испытаний способа установлено, что он позволяет надежно подготавливать выбросоопасный угольный пласт к вскрытию. Определены оптимальные параметры метода. Начиная с 1988 г., на шахтах ЦРД произведено более 100 вскрытий 18 угольных пластов на 14 шахтах в широком диапазоне горно-геологических и технических условий. Было пробурено более 300 технологических скважин общей длиной более 200 м.

3.2. Подготовка щитовых лав

'Как показал опыт отработки крутых угольных пластов ЦРД механизированными щитовыми агрегатами полосами по падению, в значительной мере снижается вероятность возникновения газодинамических явлений [17]. Однако при таких схемах оказывается незащищенной нижняя часть лавы при защитной опережающей отработке нижележащих пластов. При этом создаются зоны ПГД, способствующие возникновению внезапных выбросов.

Предложено в целях снижения выбросоопасности предварительно обрабатывать выбросоопасную часть щитовой панели полимерными или гелеобразующими растворами через скважины, пробуренные на пласт через породы из выработок соседних пластов. Параметры обработки (давление подаваемого раствора, насыщение угля веществом, время обработки) приняты аналогичными, что и при вскрытии пластов [8, 21].

Экспериментальная проверка способа была осуществлена •в щитовой панели выбросоопасного угольного пласта тъ «Толстый» на гор. 916 м (западное крыло) на шахте им. Дзер-

Г iiï.4. Qy.im рг.опс'логзпип ногнэ гстольяц::- ci™ о - -im У-Г Я П;:П '¡ОТ'Ч^'^ОННЛ I? пб pó с оопа Cil СС ТЯ njSSCTá

Г: ".'''г с) ^ ::г ]"• л

(j^iU'A )r-iH;KlWIÎ ■—' l* 'llJXIIV t M'.'J-'M ни O liil.'K HIT.J.J f;': л KtiiH'JH - i, Ч'(1ич:ги*:, Wt* LU IkíLJIUnU -• - :n,ídu;l Ú[(,'«r.,lUHrit.UI .1! - . I

:еящ\ ;; o-joiíi: !.■■ ; \ >■ кшми -ii.uisX pjoxjji.tiwiiíссчигиф скою нсхэлиио^игл-ц зи^

I -. I

жинского. Подготовка участка полевая. Нижняя часть щитовой панели длиной до 30—35 м оказалась в незащищенной зоне.

Была выполнена съемка потенциалов геоэлектрического •поля по всей высоте щитовой полосы. Измерения выполнены в оконтуривающнх панель вентиляционной и углеспускной печах. Как показали измерения, 'в нижней части полосы (примерно в 30 м от откаточного горизонта) потенциал геоэлектрического поля возрастает в 1,5—2 раза. Это свидетельствует о повышенных напряжениях в угольном .пласте [7].

'На рис. 4 представлена схема расположения нагнетательных скважин на пласте «Толстый». Номера нагнетательных скважин обозначены цифрами 1—7. Скважины диаметром 100 мм были пробурены с толевого откаточного штрека при помощи станка HKP-ílOO, через которые после герметизации нагнетали 20%-ный раствор ЛС, а затем известковую суспензию, содержащую 20% гидрата окиси кальция.

Исходным веществом для'приготовления раствора J1C служил концентрат сульфито-дрожжевой бражки КБЖ. Давление нагнетания составило 16—17 МПа, количество поданного в одну скважину раствора ЛС — 0,8—0,9 м3 при количестве известковой суспензии 0,1 м3. Качество насыщения угольного массива раствором ЛС проверялось методом ЯМР по пробам, отобранным из контрольных скважин, а также с применением метода измерения сейсмоакустической активности (по ДонНИИ). Среднесуточное количество импульсов, зарегистрированных в обработанной части лавы, снизилось в 3—4 раза по сравнению с необработанной частью.

Содержание полимера в угле было на уровне 0,9—1,2%. Нижняя часть панели отработана без газодинамических явлений, что подтвердило'высокую надежность способа.

Технологическая схема физико-химического укрепления охранного целика щитовой лавы приведена на рис. 5.

Л.З. Проведение подготовительных выработок

Проблемами проведения и поддержания подготовительных выработок >в условиях ЦРД посвящены работы коллективов Днепрогнпрошахт, МГГ-У, ЛГИ, ДГТУ, ДонУГИ, ДГА, ИГТМ АН УССР, КГМИ. В результате выработаны основные принципы обеспечения безопасного проведения пластовых подготовительных выработок по выбросоопасным пластам, а также требования к расположению, средствам их крепления и поддержания.. Результаты исследований автора нашли отражение в отраслевых нормативных документах [2,3, 4].

Для предотвращения внезапных выбросов я основном применяют гидрообработку угольных пластов в режиме рыхления; Но вследствие того, что параметры нагнетания не учи-

тывают особенностей гидродинамического пласта, это зачастую приводит к ослаблению боковых пород и, как следствие,— к обрушениям кровли и'сползанию почвы. Для предотвращения высыпаний нависающего угольного массива применяются следующие технологические мероприятия:

установка одно-, двух-, иногда трехрядной органной крепи под нависающим пластом по мере выемки угля;

образование технологических пазов в пласте глубиной до 3 м, в которые заводятся раопилы толщиной не менее 40 мм с обеспечением неспижаемого опережения не менее 0,5 м;

забивка кольев крепи из распилов, устанавливаемой непо-. средственно вслед за выемкой угля, с последующей установкой одно- или двухрядной органной крепи;

забивка клиньев вслед за выемкой угля с последующей установкой двухрядной органной крепи под нависающим массивом.

'Все способы отличаются высокой трудоемкостью и на больших глубинах становятся малоэффективными.

Был разработан способ проведения и поддержания подготовительных выработок в условиях крутых выбросоопасных угольных пластов, основанный на обработке угольного пласта и боковых пород полимером через опережающие скважины, пробуренные из забоя проводимой выработки [1, 5, 6, 8, 15, 16, 18]. Комбинированная схема укрепления нависающего угольного массива и кровли просека показана на рис. 6.

Как показали результаты лабораторных и шахтных экспериментов, обработка угля и боковых пород полимерными растворами на основе крепителей КМ-2 и КМ-3 позволяет перевести угольный пласт в невыбросоопасное состояние и повышает прочностные характеристики боковых пород и непосредственно угольного пласта за счет увеличения в первую очередь слабых пропластков.

Для получения количественных параметров проявлений горного давления в подготовительной выработке при использовании предлагаемого способа были выполнены экспериментальные работы на пластах /г3 «Ремовский», /г52 «Пята», т51 «Грицынка», т3 «Толстый» шахт им. -Калинина и «'Комсомолец» ПО «Артемуголь»; Ац «Безымянный» шахты «Красный октябрь» ПО «Орджоникидзеуголь»; т2 «Тонкий», к8 «Каменка» шахт им. Артема, «Северная», «Новая» и др. ПО «Дзер-жинскуголь».

Для этого по методикам ['5, 8] были выполнены исследования по определению газодинамической активности и напряженного состояния угольных шластов с использованием стандартных методик определения начальной скорости газовыделения и высового выхода штыба.

о

^ а п[

Рис. 6. Технологическая схема физико-химического управления надштрековой зоны подготовительной выработки.

Особое значение было придано исследованиям применения способа в зонах геологических нарушений, для чего они были типизированы.

Параметры проявлений горного давления оценивались по величине смещений (отжима) краевой части угольного пласта, контурными и глубинными размерами. Полученные в ходе наблюдений результаты в зонах физико-химического воз: действия сравнивались с соответствующими характеристиками на исходных участках. Для этого в пласт бурили вертикальную и наклонные скважины и оборудовали их реперами. Скважины закладывали по предложенной нами технологической схеме. Расстановку оборудования (принимали по [4].

■Параметры физико-химической обработки выбирали исходя из 'положений, изложенных в разд. 2. Концентрация раствора полимера была принята 25%. количество раствора, подаваемого в одну скважину, рассчитывали по формуле (5). Были разработаны также графики организации работ и последовательность рабочих процессов.

Коэффициент неравномерности обработки пласта, по дан--ным наших экспериментов, составляет величину 1,6, поэтому при длине нагнетательной скважины 8 м и среднестатистических характеристиках угля количество растворов в одну скважину составило приблизительно 0,6 м3. Давление нагнетания' было равно 12—20 МПа при среднем тем'пе нагнетания 5 л/мин и времени нагнетания 2—3 м. Время отверждения раствора было принято 5 ч. Величина неснижаемого. опережения для конкретных горно-геологических условий была принята равной 2,0 м.

В результате экспериментов установлено, что физико-химическая обработка угольного пласта позволяет повысить его устойчивость и уменьшить газодинамическую активность до невыбросоопасного состояния. Определенная с помощью проч-ностномера П-1 динамическая 'прочность угольного пласта т2 увеличилась с 27,5 до 55,5 усл. ед., а пласта /гп — с 55,5 до 70,9 усл. ед., т. е. соответственно в 2 и 1,4 раза. ¡Всего было произведено несколько тысяч измерении динамической прочности. В среднем по пластам динамическая прочность возросла до 16—25%, а сопротивление сжатию образцов — в 1,3— 1,6 раза.

Одновременно доказано, что физико-химическая обработка позволила уменьшить различия в прочностных параметрах отдельных пачек, слагающих пласт, в -первую очередь за счет упрочнения наиболее нарушенных. Например, прочность слабой пачки пласта т2 увеличилась более, чем в 2,5 раза, а коэффициент вариации прочности по всем пачкам пласта снизился от 65 до 22%. В табл. 4 приведены некоторые прочностные характеристики по пластам, полученные при 'помощи корреляционных зависимостей между динамической прочно-

стью на растяжение ор, сжатие стсж и упругой прочностной характеристикой по методике ИГД им* А. А. Скочин-

схого.

Таблица 4

Пласт , МПа а ж. МПа Д2", МПа

т2 «Тонкий» 0/0,93 0,53/2,49 .1,5/7,1

Л,) «Безымянный» 0,93/0,185 2,49/3,56 7,1/10,2

Примечание. Числитель — данные в исходной зоне, знаменатель — после полимерного упрочнения пласта.

Данные по начальной скорости газовыделелия и выходу буровой мелочи вне зоны и в зоне физико-химической обработки свидетельствуют о том, что на всех экспериментальных участках выход штыба уменьшился в 1,5—1,7 раза, а начальная скорость газовыделения снизилась в 1,8—2,0 раза и не превышала 0,75 л/мин.

Контроль за качеством насыщения угольного массива полимером осуществлялся по исследованию спектров ЯМР проб угля, отобранных в зонах отработки. Средняя экспериментально определенная величина насыщения угля полимером составила 20 л/т.

Оценка характера напряженного состояния уголыного 'пласта выполнена по величине смещений краевой части угольного пласта в выработку. На рис. 7 представлены графики смещений как в необработанной (рис. 7, а), так и в обработанной (рис. 7, б), зоне. Для большей представительности смещения даны в полулогарифмических координатах. Распределение смещений в глубь .пласта хорошо описывается следующей зависимостью:

(/•/Ье-"1, (16)

где Ц — смещения обнаженной поверхности пласта (отжим), мм; /1 — константа, характеризующая начальное смещение, мм; х — расстояние от забоя, м; Ь — параметр, характеризующий и (тенеивность затухания смещений в глубь пласта, м-1.

Значение величины Ь практически не изменяется и составляет в среднем 1 м-1. Константа А в исходной зоне составила 15,3 мм, а в обработанной зоне 12 мм. Неизменность величины Ь и экспоненциальный характер зависимости смещений угольного пласта не приводят к его заклиниванию 'боковыми породами. Величина смещений краевой части угольного пласта в зоне ФХО на 20—25% ниже, чем в исходной зоне.

ùu

г

/

о

"л" '.Г'-

0,3 0,6 0,9 €tM

и 2

1 О

à)

«s

>

0,3 Û,6 0,9 ¿>

in it -

í t ) : ) i<íi¡.r:n>u": : " - ir т; п'п п'.тпг;'|: : у П ' о; 1,1'

- г ñ г ,спс-х '.'Vj.

Ч С

G i

{H i¿ iO

В &

1 1

1 \

4 \

r-V- ' <

£ \ i

'i \ V

■i \ JL-

Я

0Л OA 0.6 0.8

c¡u/

j ;¡ :;■; r'-MívoT.-r J; i;/v- тч^гс :¡ '

и гокпсс., nз:.;<-•,'-

."fi'Tthrn ^ocr^i?- от c.oo?.'!.orcii";¡ ;:у-

cr.trv:.: с;r,"j;;i .т-гл;.';:!!;' r:,;¡ -.--г..

С,: (.'.:'.'* -y

• г.

Уменьшение отжима угля в выработку при одновременном отсутствии его заклинивания свидетельствует об уменьшении отношения действующих в призабойной части пласта напряжений к прочностной характеристике угля. Это подтверждено и уменьшением выхода штьгба в зоне'наблюдений.

Промышленные испытания способа ФХО пласта полимерным раствором на шахтах ПО «Артемуголь» и «Дзержинск-уголь» при 'проведении более 1800 м выработок по выбросо-опасным пластам показали его высокую эффективность. Внезапных выбросов и высыпаний угля на всех участках с применением метода не было отмечено.

В дальнейшем сюважину в целях повышения устойчивости угольных пластов предложено дополнительно армировать стержнями, создавая тем самым полимероанкерное крепление массива [8].

На рис. 8 представлены результаты исследований зависимости прочностных и деформационных свойств закрепляющего состава от диаметра стержней с учетом различных режимов взаимодействия скрепляющего состава и стержня.

'Анализ графиков показывает, что с увеличением модуля упругости армирующего элемента затрудняется подбор закрепляющего состава. Наибольшее предпочтение следует отдавать стержням из дерева.

Шахтные испытания способа армирования и полимерной обработки массива приведены в условиях пласта /гг, опасного по внезапным выбросам угля, газа и пыли. Пласт состоял из 3—4 пачек угля различного петрографического состава, препарированного, склонного к сэ'мообрушению. Геологическая мощность пласта 0,9—1,25 м.

Физико-химическая обработка пласта выполнялась по следующей методике. В качестве армирующих элементов в шпурах устанавливались деревянные стержни. ФХО пласта выполнена эффективно: удельное насыщение угольных пачек полимером было равномерное и составляло 9—11 л/т. Прочность угля на сдвиг после обработки составила 0,97 МПа. При армировании пласта на стенках шпура касательные напряжения (при 'прочности закрепления стержня 2 МПа) составляли 0,9 МПа. Достигнутой прочности угля при ФХО достаточно для устойчивой работы арматуры. Замеры отжима пласта до и после обработки показали, что деформация массива подчиняется экспоненциальной зависимости от расстояния до поверхности пласта.

Предложена технологическая схема физико-химического укрепления надштрековой зоны при проведении выработок, где иапользован комплекс способов укрепления, включая армирующие элементы.

Положительные результаты промышленных испытаний с учетом комплекса применяемого оборудования, контрольной

аппаратуры послужили основой для разработки типовых с?сем заложения скважин для нагнетания полимерных растворов в различных горно-теологических условиях, а также позволили разработать технологию способа, включающую следующие операции [4, 5]:

заправка транопортДых емкостей раствором на поверхности и доставка их на место ведения работ; сборка нагнетательной схемы; бурение скважин;

приготовление раствора и его нагнетание, промывка оборудования и нагнетательной магистрали; контроль'процесса; демонтаж оборудования.

•Управление процессом нагнетания возможно 'за счет его автоматизации. Была -поставлена задача так отрегулировать процесс нагнетания, чтобы насосная установка реагировала на прорыв жидкости в забой.

Для автоматизации -процесса были созданы аппаратура и специальное оборудование, ври помощи которых проведена ФХО та 90 м откаточного штрека по пласту «Тонкий» и .на 225 м по пласту «Каменка», с обеспечением условия предотвращения знезапных.'выбросов и обрушений угольного пласта. Установка доказала свою работоспособность [6"|..

Применение метода ФХО на шахтах ПО «Дзержинск-уголь»—им. Артема (пласты «Тонкий» и «Толстый»), «Северная» («Толстый», • «Каменка» и «Пугачевка»), «Новая» («Бураковка»), им. Дзержинского («Каменка») позволило увеличить скорость проведения выработок от 15—17 до 24— 30 м/мес. Общее подвигание выработок в зонах обработки составило 1700 м.

3.4. Поддержание подготовительных выработок

Один из способов поддержания подготовительных выработок—их разгрузка при помощи взрывания шпуров, создания окрестных зон раздробленных пород и последующее упрочнение этих зои путем нагнетания в эти зоны песчано-цементных . или полимерных смесей [20].

С целыо обоснования целесообразности и отработки основ- , ных параметров технологии при применении этого способа в условиях Центрального района, Донбасса нами были выполне- . ны экспериментальные исследования в откаточных штреках пластов /7", гпз, т62 гор. 750 м на шахте им. Изотова, и в. откаточном штреке.'пласта /Л51 гор. 850 м на шахте им. Кали-, пина ПО «Артемуголь» [14]. В ходе экспериментов были отработаны четыре схемы расположения шпуров для взрывания камуфлетных полостей. Общая протяженность эксперимен- . тальных участков .составила 130 м. IIa всех участках величи-

ны смещений боковых .пород в выработках уменьшились в 2— 5 ра'з, а характер, деформирования контура выработки стал более равномерным. Наибольший эффект при разгрузке и последующем упрочнении пород достигнуг в откаточном штреке пласта т\Г". Штрек был пройден комбайном ПК-Зм площадью сечения 8,5 м2 в свету по угольному пласту мощностью 0,59 м с углом падения 59—62° и закреплен арочной металлической податливой крепью АП-3. Породы кровли и почвы представлены перемешающимися пластами песчаников и песчанистых сланцев .прочностью от 6 до 8 единиц по шкале проф. Протодьяконова. Работы по реализации способа выполнялись в 70 м впереди лавы, т. е. вне влияния зоны опорного давления, которая, по данным замеров, составляла 3—35 м. Согласно разработанной методике вначале бурили шпуры под камуфлетные заряды (рис. 9, а). Так как максимальные деформации крепи отмечали в направлении, нормальном напластованию, зоны разгрузки создавались в .почве и лежачем боку выработки. Глубина шпуров для разгрузки была 1,8 м. Шпуры бурились рядами по четыре в каждом, расстояние между рядами по оси выработки 2 м. Одновременно взрывали 10 рядов. После взрывания шпуры продували и в них через ипъекторы нагнетали цементный раствор вначале в почву, а затем — в бока выработки. Давление нагнетания не превышало 0,5 МП а. Водоцементное отношение в растворе составляло в среднем В:Ц — 2:1. Общая длина экспериментального участка 40 м.

Оценка эффективности применения способа выполнялась по сравнению параметров проявлений горного давления в штреке на экспериментальном участке и при традиционном способе охраны. Были оборудованы станции контурных реперов с шагом заложения 5 м. За:меры производились с постоянной периодичностью по мере 'подвитания штрека, с постоянной фиксацией расстояния между станциями.

Результаты замеров представлены на графиках (рис. 9, б). На исходном участке вне зоны влияния очистных работ скорости деформаций были постоянные, а величина деформаций не превышала 50 мм. Влияние лавы отмечалось, начиная примерно с 35 м, максимальная скорость деформаций зафиксирована в 7—8 м от лавы и составила 24,1 мм/сут. После прохода лавы' скорость смещений быстро падала и в 28 м равнялась 3 мм/сут. Повторное возрастание скорости в 57 м за лавой по 10 -мм/сут обусловлено влиянием вторичной осадкой кровли в лаве. Наибольшее смещение пород в штреке реали-зовывалось в направлении кровля—почва. Общая величина конвергенции в 100 м за лавой составила 990 мм. Деформация контура штрека была неравномерной: в наибольшей степени деформировались кровля и почва, в наименьшей — бока.

Крепь исчерпывала свою тодатливость еще до подхода лавы и в дальнейшем начинала интенсивно деформироваться. Отмеченное пучение пород почвы было несимметричным, что вызывало перекос рельсовых путей и необходимость подрывки. Как правило, в 100 м за лавой выработка погашалась.

На экспериментальном участке был отмечен иной характер, деформаций. Влияние очистных работ начинало явно проявляться с 'расстояния 22 .м. Максимальные скорости смещений отмечены в 7 м перед лавой и второй пик — в 70,м за лавой, причем эо время вторичной посадки кровли скорость была 10 мм/сут, что в 2 раза выше, чем и районе лавы. В 100 м за лавой конвергенция составила 400 мм, что почти в 2,5 раза ниже, чем на исходном участке. После обработки пласта раствором ПАВ напряжения вокруг выработки приобрели более равномерный характер распределения.

Применение способа позволяет увеличить расстояние между промквершлагами при группировании пластов в 2 'раза, что значительно снижает объем проведения подготовительных выработок. Кроме того, появляется возможность вторичного использования откаточных штреков в качестве вентиляционных при отработке нижележащего горизонта.

На шахтах ПО «Дзержинскуголь» выполнены экспериментальные исследования нового способа поддержания пластовых подготовительных выработок, основанного на разгрузке горного массива вокруг выработок при нагнетании водных растворов ПАВ.

' В ходе экспериментов отрабатывались основные параметры технологии: тип и концентрация ПАВ в растворе, длина и шаг бурения скважин, давление и время обработки. Для экспериментов были выбраны подготовительные выработки по пластам /з «Мазурка» и /5 «Соленый» на шахте «Торецкая». Методика экспериментов включала в себя изучение параметров проявлений горного давления в выработке на участке без обработки и на участке с обработкой 'Массива. При этом изучали смещения массива и исследования керна в полевом пробнике БУ-39. Определяли с помощью метода сейсмозондирования характер и ¡распределение - напряжений в окружающем выработку массиве. При этом в качестве источника сей-смосигналов использовали сигнал, 'получаемый при бурен-ии шпуров по углю. Сейсмоприемлик устанавливали в 4—5 м от шпура, что позволяло регистрировать сейсмосигналы, проходящие через угольный пласт, при удаляющемся источнике. Деформации пород на контуре выработки и в глубине массива определялись по методике контурных и глубинных реперов с применением рулетки ©НИМИ.

В ходе экспериментов отработаны основные положения технологии. В качестве ПАВ применялся сульфанол ¡в концентрации 0,5%. Давление нагнетания составило 16—19 МПа.

Шйг бурения скважин по простиранию выбирали по технологическим признакам, но не более величины полутора радиусов эффективного увлажнения, равного для условий эксперимента 6—7 м. Для определения оптимальной длины скважины были выполнены эксперименты по выявлению зависимости 'величины и скоростей деформаций контура штрека от длины скважины. Эффективное влияние на уменьшение деформаций'сказывается при увеличении длины до 6 м, в дальнейшем влияние будет несущественным.

"■В табл.- 5 приведены сравнительные данные по величинам и скоростям деформаций пород на контуре выработок на экспериментальных участках.

Таблица 5

Величина деформаций, Скорость деформаций,

мм М'М/суТ

на уровне в 50 м на уровне• в 50 м

Пласт лавы позади лавы лавы позади лавы

р. о. ! 6 а. а д У

о _ о п: ■ О ^ ! о к а- з: 1 .— . § я § £ о = о =

О га с " - о Е— 1 • ^ О га с с о 5,3 о 2 5 §

со ^ с « ! а * а 12 СО )£. с я ы:

«Мазурка» /з 145 95 415 254 3.4 2, I 5,2' 3,0

.48 55 125 20! 0,9 1 .4 Г,з 2,0

«Соленый» ¡5 238 00 52'.) 1 .чип 1 .0 0,25 1,5 0.0

-10 42 760 ! Ш 0,35 0,4 0,9 1,0

"Примечание. Числитель — до обработки, знаменатель — после обработки- растворами.

Результаты шахтных замеров относительных смещений боковых пород на экспериментальных участках позволили установить следующее. Влияние зоны опорного давления начинает проявляться с 35—40 м от лавы, что соответствует величине зоны, вычисленной по эмпирическим формулам ВНИМИ. Резкое возрастание скорости деформаций отмечается, начиная с 20 м от лавы, что соответствует местоположению максимума горного давления. Характер деформирования на участке обработки штрека растворами ПАВ несколько иной. Про-цесс^ндет более плавно, без переходов. В целом величины'деформаций уменьшились в 2,5—3 раза, соответственно скорости также уменьшились. Изменился также характер деформирования— он стал более симметричным, так как величины и скорости деформаций по нормали к напластованию и по на-

пластованию стали практически одинаковы. Например, на участке без применения обработки превалировали смещения по нормали — они были выше в 1,5—2 раза.

Результаты сейсмозондирования примыкающей к выработке части пласта на глубину до 10 м позволили установить следующее. На участке до обработки сейсмоакустические характеристики пласта (амплитуда и частота сигнала) свидетельствуют о неравномерности в распределении напряжений в нриштрековой части пласта, отмечены зоны снижения-напряжений на расстояние 1—6 м. Это явление можно объяснить наличием различных нарушений пласта. ■ .. .'

Подтверждением этому являются данные, полученные по результатам замеров деформаций по глубинным реперам, установленным в скважинах длиной до. 8 м. Процесс деформирования кровли выработки' также отмечается неоднородностью. Наиболее активно смещается часть пород мощностью до 6 м. Вышележащие слои менее активны. Следовательно, в кровле также отмечается зона расслоения пород на глубину массива до 6 м.

Сейсмозондирование угольного пласта, выполненное после гидрообработки, показало, что неравномерности в распределении напряжений, судя по анализу сейсмосигналов, исчезли, уровень -напряжений остается почти неизменным на всю глубин)1 исследуемого массива в 10 м.

Так как после обработки увеличились величины отжима угольного пласта на контуре выработки, было выполнено нагнетание скрепляющих растворов (шесчано-цементные смеси) в нагнетательные скважины. Это мероприятие позволило снизить скорость отжима, с 0,35 до 0,13 мм/еут.

Общая длина экспериментальных участков составила 95 м. Метод нашел применение, кроме шахты «Торецкая», на шахтах «Северная», им. Артема и «Новая» при отработке пластов

/«5, /'ю, 1\.

Общие объемы внедрения нетрадиционных способов приведены в табл. 6.

3.5. Испытания скважинной технологии добычи угля

с применением гидроимпульсного воздействия на пласт

Промышленные испытания гидроимпульсного воздействия на Еыбрссоопасный угольный пласт были проведены на шахте «Северная» ПО «Дзержинскуголь». Объектом испытаний был выбран одни из самых трудных для эксплуатации угольных пластов Центрального района Донбасса—т3 «Толстый» ("15, 21].

Оборудование для гидроимшульсного воздействия размещалось в камере восточного полевого штрека гор. 940 м. Из камеры были пробурены разнонаправленные скважины, кото-

Таблица 6

Объемы выполнения работ при применении малоэнергоемких технологий

Наименование технологии Ед. нзм. Объем внедрения

Укрепление нависающего массива ФХО м 1 1700

Вскрытие пласта: — гидродинамическое воздействие — нагнетание смол КМ2, КМз — нагнетание сульфитно-дрожжевой бражки КБЖ шт. шт. шт. 03 28 25

Разгрузка щитовой панели сульфитно-дрожжевой бражкой КБЖ панель 2

Охрана штреков разгрузкой приконтурного массива пород: — камуфлетными взрывами — обработкой растворами ПАВ м м 130 980

Проходка штрека с предварительной обработкой: — гидродинамическим воздействием — нагнетанием 'сульфитно-дрожжевой бражки КБЖ — нагнетанием смол КМ3. КМ-6 м м м 70 30 ¡800

рые имели диаметр 320 мм,и надежно герметизировались. В камере, на конце обсадных труб размещали систему гидроза-двнжек, работающих дистанционно. На штреке монтировали комплекс насосного оборудования, состоящий из насосов управления задвижками, гидравлического подпора и высокого давления. Для реализации циклов «сброса—подачи» жидкости была составлена программа работы насосного комплекса.

В холе промышлешшх испытаний и последующей эксплуатации давление нагнетания составляло 0,9—2 МПа. При сбросе давление падало до нуля.

Добыча угля из скважин составляла до 400 т/сут. Технология доказала свою перспективность как основа для создания теотехиологических, скважинных методов добычи угля.

Объемы внедрения новых технологий показаны в табл. 6.

Зкоиоми'ческин эффект от проведенных автором работ по применению нетрадиционных методов управления свойствами и состоянием угольного массива при различных технологических процессах (вскрытне ¡пластов, проведение, поддержание выработок н скважиниая добыча угля) составил в ценах 1991 г. 5 млн. руб.

3

33

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе выполненных лично автором и под его руководством экспериментальных и аналитических исследований научно обоснованы и разработаны новые технологические решения по отработке крутых выбросоопасных угольных пластов па основе направленного воздействия на углепородный массив малоэнергоемкими физико-химическими методами, позволяющими изменить его физико-механические свойства и напряженное состояние и повысить эффективность и безопасность разработки угольных пластов, что имеет важное народнохозяйственное решение.

Основные научные и практические результаты работы сводятся к следующему. .....

1. Установлены закономерности распространения физико-химических растворов в угольном 'пласте на основе математических моделей, которые нашли подтверждение при экспериментальной проверке в шахтных условиях. Показано, что параметры и характер распространения растворов зависят от строения, пористости и нарушенности пластов, а также свойств самих веществ, нагнетаемых в пласт. Установлена зависимость величины удельного насыщения призабойной части пласта физико-химическими растворами при их нагнетании от расстояния до нагнетательной скважины, позволяющая определять область, в которой обеспечивается устойчивость угля от насыщения, а вероятность возникновения внезапных выбросов угля и газа минимальна.

2. Установлены зависимости прочностных и энергетической (энергоемкость разрушения) характеристик угля от удельного его насыщения полимерными композициями, позволяющие определять величины насыщения, достаточные для обеспечения устойчивости угольных обнажений и уменьшения вьгбросоопасности крутых угольных 'пластов. Процесс насыщения угольного пласта, сложенного несколькими пачками разнопрочного угля, полимерным раствором имеет стадийный характер: на первом этапе идет пропитка наиболее препарированных пачек, на следующем этапе полимер распространяется в более прочные слои. В результате увеличивается однородность прочностных свойств всех угольных пачек, слагающих пласт.

3. Установлены механизм взаимодействия армирующих элементов и скрепляющего раствора с вмещающим массивом и характер распределения напряжений в приконтурной области. Разработан аналитико-ииженерный метод выбора материала армирующих элементов.

4. Разработан метод расчета основных параметров ¡гидро-имиульсного воздействия на угольный .пласт с целью снижения его выбросоопасности, разрушения и извлечения отбито-

го угля через вскрывающие скважины, основанный на процессах, происходящих в газонасыщенном угольном пласте при кратковременном воздействии жидкостью при ¡больших давлениях. Определены условия, при которых процесс отрыва угля от массива будет, циклично-непрерывным.

5: Разработан способ' поддержания подготовительных, выработок, основанный на предварительной (вне зоны влияния очистных работ) разгрузке горного массива и перемещении повышенных напряжений в глубь массива при помощи создания зон трещиноватых пород камуфлегным взрыванием и при переводе- пласта в квазнпласгичное изотропное состояние нагнетанием водных растворов ПАВ.

О. На: основании .гидроимпульсного воздействия на. угольный пласт разработаны принципиальные технологические.решения'способа отбойки особо выбросоопасного угольного пласта-через скважины. '

7. Обоснованы- и опробованы технологические схемы по применению способов вскрытия и отработки1 выбросооласных угольных пластов через породную пробку при гидроимпульсном воздействии и при нагнетании физико-химических раст-поров. Для горно-геологических условий шахт Ц'РД разработаны типовые схемы заложения скважиш.

8. Созданы методика и технология поддержания подгото-гштельных выработок в условиях тектонических нарушений пластов, склонных к высыпаниям и газодинамическим явлениям; в', основу которых положено физико-химическое мапоэнер-гоемкое воздействие на горный массив, разработана-и прошла' промышленное и опыта ни е. автоматизированная: технологическая- схема: ФХО пласта полимерными растворами.

9: Экономический эффект от внедрения результатов работы автора на шахтах Центрального района Донбасса составил 5 млн. руб. в цепах 1991. г., причем доля'автора в общем эффекте равна 40%.

Основные положения диссертации и научные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Повышение устойчивости выработок на крутых пластах/Г. В. Ба-бчюк, В. М. Мусиенко, А. П. КалФакчиян, П'. П. Луцик. — Уголь Украины, 1984, № 9.

2. Типовые паспорта проведения подготовительных выработок на крутых пластах. — Донецк: ДонУГИ, 1985. — 68 с.

3: Типовые технологические схемы подготовки, отработки и изоляции шахтных полей и выемочных участков на крутопадающих пластах угля, склонных к самовозгоранию. — Донецк: ДонУГИ, ВНИИГД, ¡986. — 80 с.

4. Руководство по применению физико-химического способа предотвращения и снижения выбросоопасно-сти угля крутых пластов Донбасса при проведении подготовительных выработок. — Москва — Макеевка: МГИ, МакНИИ, 1986, — 18 с..

3*

35

5. Васючков Ю. Ф., Калфакчиян А. П. Физико-химическое воздействие на массив при переходе нарушенных зон выбросоопасных пластов. — Уголь Украины, 1988, № 1.6. Автоматизированная технологическая схема воздействия на опасные по выбросам и высыпаниям пласты ^полимерными соединениями/Ю. Ф. Васючков, А. С. Бурчаков, А. П. Калфакчиян, А. М. Штерн и др. — М.: МГИ, 1988. — 12 с.

7. Васючков Ю. Ф., Калфакчиян А. П., Юраков Е. А. Определение на пряженного состояния угольных пластов по геоэлектрическим полям. — М.: ЦНИЭИуголь, 1990, —35 с.

8. Васючков Ю. Ф., Калфакчиян А. П. Разработка угольных пластов в сложных условиях с применением полимерных композиций. — М.: ЦНИЭИуголь, 1,992. — 200 с.

9. Калфакчиян А. П. Аналитическая оценка напрЯженно-деформиро-ваиного состояния массива вокруг выработки с учетом пластичности пород/Горный информационно-аналитический бюллетень.—М.: МГИ, 1992, №1, — 4 с.

10. Вскрытие крутых выбросоопасных угольных пластов/А. П. Калфакчиян, Е. А. Воробьев, С. Ю. Андреев, К. К. Софийский -и др. — Днепропетровск: «СИЧ», 1992. — li50 с.

11. Перспективы и пути совершенствования пневматических бурильных машин в угольной промышленности/А. П. Калфакчиян. Е. А. Воробьев, В. С. Кро'вопусков, А. Е. Борисенко и др. — Уголь Украины, 1992, № 12, с. 30—33.

12. Калфакчиян А. П. Состояние шахтного фонда и перспективы развития производственных объединений по добыче угля. — Уголь Украины,

1993, № 1,, с. 2.9—30.

13. Калфакчиян А.' П. Основные направления разработок механизированных комплексов на крутых пластах. — Донецк: ЦБНТИ, 1993.— 174 с.

14. Совершенствование средств и способов поддержания подготовительных, выработок на шахтах Центрального района Донбасса/А. П. Калфакчиян, В. Г. Александров, Е. А. Воробьев, А. И. Карлов и др. — Днепропетровск: «СИЧ», 1994. — 290 с.

■15. Калфакчиян А. П. Комплекс способов управления напряженно-деформированным состоянием крутых пластов. — Днепропетровск: «СИЧ»,

1994. — 150 с.

16. Калфакчиян А. П. Управление механическими и газодинамическими свойствами угля при его физико-химической обработке. — Уголь Украины, 1994, № 8.

17. Калфакчиян А. П. Производство, наука и безопасность. — Уголь Украины, 1994, № 8.

¡Ь8. Справочник по управлению горным давлением на тонких крутых пластах Донбасса/С. С. Гребенкин, А. Д. Доронин, А. П. Калфакчиян, и др.— Донецк: ДонУГИ, 1994.— 250 с.

¡19. А. с. № 1090887. Способ выемки выбросоопасных пластов и устройство для его осуществления/В. Г. Кочетов, В. И. Кучер, А. П. Калфакчиян и др. — Опубл. в бюл. — 1984, № 17. ' -

20. А; с. № 1145146. Способ поддержания горных выработок/А, П. Калфакчиян, Ю. Е. Мельничук, Н. А. Николенко и др. — Опубл в бюл.— 1985, № 10.

21. Софийский К. К., Калфакчиян А. П., Воробьев Е. А. Нетрадиционные способы предотвращения выбросов и добычи угля. — М.: Недра, 1994,—190 с.