Определение склонности угольных пластов к увлажнению

Дата публикации: 
17.11.2015

пласт угля

Предварительное увлажнение угольных пластов на протяжении более 40 лет остается одним из основных методов предупреждения пылеобразования при ведении горных работ в угольных шахтах. Главные достоинства способа обусловлены в первую очередь тем, что при современных технических возможностях гораздо сложнее уловить пыль, выделившуюся в атмосферу горных выработок. Поэтому и сейчас считается более целесообразным уменьшить пылеобразование при выемке угля посредством профилактических мероприятий, одним из которых является нагнетание жидкости в угольный пласт.

Основное проявление пылевыделения связано со следующими процессами. Пласты, вследствие тектонических подвижек и горного давления, со временем претерпевают значительные изменения, в результате чего в трещинах пласта образуется и накапливается первичная угольная пыль, при разрушении переходящая во взвешенное состояние. Кроме того, процесс механического разрушения сам по себе связан с образованием вторичной угольной пыли, которая появляется в результате нарушения структуры угля, обладающего повышенной упругостью и хрупкостью. При нагнетании жидкости в пласт происходит не только изменение механических свойств угля, приводящее к уменьшению выделения вторичной пыли в связи с повышением пластичности угля, но и связывание первичной пыли вследствие роста ее агрегационной способности. Эти процессы приводят к снижению пылевыделения и позволяют сократить расход воды на орошение, высокие значения которого ухудшают эксплуатационные характеристики угля и условия труда в забоях.

Таким образом, физическая сущность предварительного увлажнения, как метода снижения пылеобразования при выемке угля, заключается в том, что нагнетаемая в пласт жидкость способствует изменению физико-химических свойств угля, и в частности: увеличению влажности угля, из-за чего возрастают адгезионно-когезионные силы между поверхностями частиц, образующихся в процессе его дробления, и более эффективному их осаждению из воздуха; снижению коэффициента крепости угля, способствующему уменьшению энергоемкости процесса разрушения угольного массива; смачиванию находящейся в крупных трещинах тонкодисперсной пыли, предотвращая ее поступление в рудничный воздух выработки.

В настоящее время фильтрационные свойства угольных пластов принято характеризовать коэффициентом проницаемости, который определяется структурой пласта и почти не зависит от фильтрующейся жидкости. Расчетные схемы, параметров нагнетания, основанные на модификациях закона Дарси, не дают хороших результатов. В этой связи единственный возможный способ уточнения параметров нагнетания в практических условиях - проведение опытного нагнетания.

Документом, регламентирующим необходимость и порядок проведения предварительного увлажнения угля в массиве, служит Инструкция по комплексному обеспыливанию воздуха. К сожалению, в ней не рассмотрены порядок и целесообразность выбора тех или иных схем и способов предварительного увлажнения и полностью отсутствуют механизмы определения параметров нагнетания жидкости в пласт. Кроме того, чрезмерно завышены требования и не приведены критерии оценки необходимости проведения увлажнения.

 

Сейчас оценить однозначно экономическое состояние угольной промышленности невозможно. С одной стороны, наблюдается устойчивая тенденция к росту производительности труда и нагрузки на забои, качественно меняется техническая оснащенность шахт, на смену оборудованию 80-х годов приходит высокопроизводительная и надежная техника, отвечающая современным требованиям безопасности, с другой - растет профессиональная заболеваемость, особенно пылевой этиологией. В связи с этим предупреждение пылеобразования остается не только социальным, но и экономическим фактором, особенно с введением в действие Федерального закона «Об обязательном социальном страховании от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний» № 125-ФЗ.

Мероприятия по предупреждению пылеобразования повсеместно вызывают негативное отношение со стороны администрации угольных предприятий в связи с трудоемкостью и большими экономическими затратами. В то же время завышенные требования действующих нормативных документов к использованию предварительного увлажнения приводят к формальному отношению к профилактической обработке пластов жидкостями для уменьшения пылеобразования. Таким образом, назрела настоятельная необходимость упорядочения процедуры принятия решения о предварительном увлажнении и производственном контроле за его проведением.

В общей постановке задачи на процесс увлажнения (по данным многих авторов) влияют: горно-геологические и горнотехнические условия, технология отработки; влажность, пористость и влагоемкость угля; физико-механические свойства пласта; нагруженностьи напряженное состояние массива; трещиновато-коллекторские свойства и проницаемость пласта; петрографический состав и марка угля; выход летучих; свойства вмещающих пород (водоустойчивость, размокаемость и др.).

Эффективность увлажнения угля в массиве (а следовательно, и пылевыделение) существенно зависит от физико-химических процессов, происходящих непосредственно в трещиновато-пористой структуре углей в системе «уголь - рабочая жидкость». Уголь - сложная пористая среда с сильно развитой экзогенной и эндогенной трещиноватостью. В процессе фильтрации жидкости в пласте может быть заполнен не весь объем порового пространства, поскольку в угле имеется часть тупиковых пор и трещин.-Одну часть свободных пор занимает адсорбированный и защемленный газ, другую - связанная и капиллярная вода. При длительном нагнетании жидкости в пласт возможны набухание угля; перекрытие пор и трещин механическими примесями, минеральными и угольными частицами, поэтому В расчет принимается не вся пористость вещества, а только ее эффективная часть. Эффективность увлажнения угля в массиве зависит также и от приращения влаги в угле, взаимосвязанного с его пористостью. Существенное увеличение эффективности увлажнения достигается при приращении влаги 1,5 % (при удельном расходе воды 15 л/т).

С другой стороны, любая горная порода, в том числе и уголь, представляет собой трещиновато-пористый коллектор. Проницаемость подавляющего большинства таких коллекторов определяется весьма сложные аналитическими или лабораторными исследованиями. На практике окончательное принятие решения по оптимальным параметрам увлажнения осуществляется по результатам «опытных нагнетаний».

 

По нашему мнению, из всего многообразия свойств угольного пласта, влияющих на процесс увлажнения, определяющими могут быть: естественная влажность, пористость и влагоемкость угля.

В общем виде алгоритм проведения экспертизы состоит в следующем:

На первом этапе надо провести экспертизу горногеологических условий и свойств пластов: геологической характеристики пласта, типа вмещающих пород проектируемой выработки и наличия включений в виде линз и прослоев в пласте; прогноза геологических нарушений; физико-механических характеристик (пористость, предел прочности на разрыв, контактная прочность) угольного пласта, водные свойства (влагоемкость, водоустойчивость) пласта и вмещающих пород; опасность горных ударов, выбросов метана и породы. Кроме того, анализ горнотехнических условий проектируемых выработок должен включать: тип используемых горных машин; состояние пылевой обстановки в забое.

Введение в экспертизу рассмотрения свойств вмещающих горных пород, в особенности почвы выработки, связано с тем, что технической характеристикой всех механизированных крепей предусмотрены нормы по прочностным показателям почвы. Сопротивление почвы на смятие должно быть не менее средней нагрузки крепи на почву. В этой связи снижение прочностных показателей при размокании горных пород более чем на 20 % может привести к нарушению технологии ведения работ.

Второй этап должен включать комплекс лабораторных испытаний образцов угля и вмещающих пород, по результатам которых принимается решение о необходимости предварительного увлажнения. Комплекс испытаний по установлению склонности пластов к увлажнению включает определение естественной влажности угольного пласта, пористости образцов угля и вмещающих пород, влагоемкости образцов угля, коэффициента крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова образцов вмещающих пород и угля, прочности на разрыв и водоустойчивости образцов вмещающих пород.

Предварительное увлажнение угольного массива считается нецелесообразным, если естественная влажность пласта составляет более 8 % (ГОСТ 11014-81); пористость образцов угля - менее 5 % (ГОСТ 26450.1-85); влагоемкость - менее 2 % (ГОСТ 26898-86); снижение коэффициента крепости по шкале проф. М.М. Про-тодьяконова (ГОСТ 21153.1-75) и прочности на разрыв (ГОСТ 21153.3-85) после испытаний образцов горных пород на водоустойчивость (ГОСТ 26898-86) - более 20 %; при обнаружении в пласте более 10 % линзовидных включений или породных прослоев коэффициентом крепости более 5 по шкале проф. М.М. Протодьяконова; при ведении прогноза выбро-соопасности в забое либо мероприятий по предупреждению выбросов.

При наличии одного из данных условий, установленных в результате экспертизы технической документации и лабораторных исследований образцов угля и вмещающих горных пород, нельзя нагнетать жидкость в пласт. Данные положения приняты за основу методологии определения склонности угольных пластов к предварительному увлажнению в целях снижения пылеобразования как части производственного контроля.

угольный пласт