Изменение структуры угольного пласта при его дегазации с применением гидродинамического воздействия
Наведено результати експериментальних робіт з дегазації вугільного пласта з використанням гідродинамічної дії і розглянуто її вплив на зміну структури вугілля. The results of experimental degassing treatment of a coal seams using hydrodynamic affects are presented. Influence of these affects on the...
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/12563 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Изменение структуры угольного пласта при его дегазации с применением гидродинамического воздействия / Д.М. Житленок // Физико-технические проблемы горного производства: Зб. наук. пр. — 2009. — Вип. 12. — С. 67-73. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859855981565968384 |
|---|---|
| author | Житленок, Д.М. |
| author_facet | Житленок, Д.М. |
| citation_txt | Изменение структуры угольного пласта при его дегазации с применением гидродинамического воздействия / Д.М. Житленок // Физико-технические проблемы горного производства: Зб. наук. пр. — 2009. — Вип. 12. — С. 67-73. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Наведено результати експериментальних робіт з дегазації вугільного пласта з використанням гідродинамічної дії і розглянуто її вплив на зміну структури вугілля.
The results of experimental degassing treatment of a coal seams using hydrodynamic affects are presented. Influence of these affects on the coal structure is considered.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:44:03Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
УДК 622.831.325.3
Д.М. Житленок
ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ПРИ ЕГО
ДЕГАЗАЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ
ГП «Дзержинскуголь»
Наведено результати експериментальних робіт з дегазації вугільного пласта з ви-
користанням гідродинамічної дії і розглянуто її вплив на зміну структури вугілля.
Ключові слова: вугільний пласт, дегазація, гідродинамічна дія, структура вугілля
D.M. Zhytlyonok
STRUCTURE CHANGES IN A COAL SEAMS AT DEGASSING
TREATMENT USING HYDRODYNAMIC AFFECTS
The results of experimental degassing treatment of a coal seams using hydrodynamic af-
fects are presented. Influence of these affects on the coal structure is considered.
Keywords: coal seam, degassing, hydrodynamic affects, coal structure
Дегазация угольных пластов применяется на большинстве шахт, разраба-
тывающих высокогазоносные угли. Уменьшение содержания метана в по-
следних приводит к снижению газодинамической активности массива и по-
вышению безопасности ведения горных работ. Однако применяемые в на-
стоящее время способы дегазации угольных пластов не обеспечивают необ-
ходимой ее степени. Результаты изучения геомеханических процессов, про-
текающих в массиве при ведении очистных и подготовительных работ, по-
лученные в ИГТМ НАН Украины, показывают возможность значительного
повышения степени дегазации угольных пластов при применении способов
интенсификации газовыделения и увеличения зон дренирования газа вокруг
скважин при одновременном уменьшении времени, затрачиваемого на этот
процесс. В ИГТМ НАН Украины разработан способ гидродинамического
воздействия на напряженный газонасыщенный угольный массив, при кото-
ром последний претерпевает изменения своей структуры как на макро-, так
и на микроуровне. Шахтные исследования способа показали, что величина
динамических импульсов при гидродинамическом воздействии превышает
100 МПа⋅с, что создает динамические пригрузки к горному давлению, спо-
67
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
собные кардинально изменить структуру угольного массива и его напря-
женное состояние [1,2].
Уголь по своим свойствам занимает особое место среди осадочных пород
в силу органического происхождения, представляя собой смесь продуктов
глубокого изменения органических соединений и битумов игуминовых ки-
слот. Уголь – вещество, компонентами которого являются активные низко-
молекулярные единицы.
Высокомолекулярные фрагменты могут быть продуктами конденсации мел-
ких фрагментов [3]. Связи углерода в ароматическом ядре, а также с находя-
щимися на периферии атомами водорода очень прочны (101–104 ккал/моль),
поэтому ядро макромолекулы является устойчивым фрагментом угля. Связь
между этими структурными фрагментами невелика, т.е. в угольном вещест-
ве имеются энергетически ослабленные участки, где могут протекать раз-
личные превращения, разрыв макромолекул на звенья с последующим взаи-
модействием цепей.
Известно, что прочность комплексов в переносном заряде и донорно-
акцепторных связей составляет от 2 до 15 ккал/моль, и, конечно же, они
разрушаются в первую очередь при обработке угля давлением. В углях
обычно мы имеем дело с макромолекулами, представляющими соединен-
ные между собой циклические группы – бензольные кольца, чередую-
щиеся с гетероциклами, включающими атомы углерода, азота, кислорода,
т.е. с системами сопряженных двойных связей. По мнению В.И. Касаточ-
кина, под действием давления углеродные ядра перемещаются до наибо-
лее выгодных энергетических положений, что возможно при деструкции
боковых цепей при поворотах углеродных ядер [4]. Высокомолекулярные
соединения, содержащие такие молекулы, обладают полупроводниковы-
ми свойствами. Возникшая неоднородность структуры и свойств приво-
дит к образованию трещин, и механо-химический процесс завершается
разрушением угля.
При гидродинамическом воздействии на выбросоопасные угольные пла-
сты выход разрушенного угля из одной скважины достигал 50 т, что состав-
ляло 2% от массы угля в обработанной зоне, а объем пористости угля в этой
зоне увеличивался на 37,5 м3. Ситовый состав вышедшего угля, извлеченно-
го из скважин при гидродинамическом воздействии на пласте l4
н
– «Девят-
ка», представлен в табл. 1.
Анализ таблицы показывает, что при гидродинамическом воздействии
характерен высокий выход фракций размером зерна менее 5,0 мм. Выход
угля при воздействии на пласт l4
н
– «Девятка» (гор. 1080 м) не содержит
фракций более 1,0 мм, что объясняется большей глубиной залегания пласта.
Объем фракций 0,5 мм при проведении экспериментальных работ опреде-
лялся расчетным путем, так как уголь, находясь во взвешенном состоянии,
не успевал оседать в мерных емкостях и уносился водой по выработке. Объ-
ем этих фракций достигал 11% от общего объема рассева.
68
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
Таблица 1
Ситовый состав угля, извлеченного из технологических скважин в процессе
гидродинамического воздействия
Горизонт Класс, мм Содержание,% Содержание фракции
менее 0,5 мм,%
Более 10,0 4,2
10,0–7,0 2,1
7,0–5,0 2,8
5,0–2,0 10,1
2,0–1,0 11,6
1,0–0,5 11,7
0,5 57,5
970м
dcp = 0,22 100 8,9
более 5,0 10,7
5,0–2,0 18,9
2,0–1,0 20,2
1,0–0,5 10,5
0,5 39,7
1080 м
dcp = 0,33 100 9,2
В последние годы применение методов спектроскопии дало возможность
проследить изменения, происходящие в структуре углей после внезапных
выбросов угля и газа [5].
Для определения параметров парамагнитной системы «уголь–газ», отра-
жающих ее структурные особенности, были проведены исследования зави-
симости кинетических параметров взаимодействия угля и газа по регистра-
ции спектра поглощения СВЧ-энергии парамагнитными центрами (ПМЦ)
угля при изменении барических условий при гидродинамическом воздейст-
вии и после его проведения [6].
Исследованиями установлено, что во время гидродинамического воздей-
ствия уголь представлен мелкой фракцией (угольная пыль), которая имеет
повышенные концентрации ПМЦ. После гидродинамического воздействия в
вынесенном струей воды угле концентрация ПМЦ снижена примерно в три
раза по сравнению с первоначальными значениями.
ОП «шахта им. Ф.Э. Дзержинского» ГП «Дзержинскуголь» и ГТМ НАН Ук-
раины проведены работы по гидродинамическому воздействию с целью дега-
зации и снижения газодинамической активности угольного пласта l7
в
– «Пуга-
чевка» (гор. 1026 м) в нижней части молотковой лавы № 66. Мощность пласта
составляет 0,81–0,88 м, угол падения – 55°. На всем протяжении выемочного
участка пласт выдержан по мощности и строению и состоит из двух пачек угля,
разделенных в средней части слоем мягкого, чешуйчатого, сыпучего углисто-
глинистого сланца мощностью 0,02–0,07 м. Уголь обеих пачек идентичен,
мощность верхней пачки составляет 0,23–0,32 м, нижней – 0,42–0,58 м. Уголь
полублестящий, слоистый, крепости ниже средней с включением линз серни-
стого колчедана, хрупкий, разбит разнонаправленными трещинами. Гипсомет-
69
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
рия пласта спокойная, уголь коксующийся – марки Ж, природная газоносность –
16–17 м3/т г.м., выход летучих веществ – 29,6–33,44 м3/т. Крепость угля по
шкале проф. Протодьяконова 0,8–1,0, объемный вес 1,3–1,4 т/м3
.
Пласт опасен по внезапным выбросам угля и газа, по обрушению угля и по
взрывчатости угольной пыли, к самовозгоранию не склонен, по горным ударам
не опасен. На контакте с кровлей залегает сланец углисто-глинистый, чешуйча-
тый, сыпучий, слабый, мощностью 0,01–0,07 м. Наличие углисто-глинистого
сланца значительно снижает сцепление пласта с боковыми породами, в резуль-
тате чего возникает возможность самопроизвольного обрушения угля из нави-
сающего массива. В кровле залегает глинистый сланец мощностью 0,6–1,0 м,
тонкоплитчатый, межслоевая связь непрочная, плоскости слоев притертые, с
зеркалами скольжения, трещиноватый, средней крепости, неустойчивый, пре-
дел прочности на сжатие – 275 кг/см2, объемный вес – 2,5–2,5 т/м3. Непосред-
ственно у пласта мощностью до 0,40 м сланец сильнотрещиноватый, весьма
неустойчивый, обрушается во время выемки угля, образуя ложную кровлю
мощностью от 0,2 до 0,55 м. В почве пласта залегает песчано-глинистый сланец
мощностью от 0,4 до 1,1 м комковатой текстуры, трещиноватый, плоскости
слоев притертые с остатками ископаемой флоры, неустойчивый, средней кре-
пости, при водонасыщении склонен к вспучиванию и скалыванию на мощность
0,1–0,3 м. Основная почва повсеместно представлена песчаником мощностью
более 10 м, мелкозернистым, грубослоистым, слюдистым, трещиноватым,
крепким, устойчивым, с пределом прочности на сжатие 1580 кг/см2. Песчаник
опасен по внезапным выбросам породы и газа. Разрывных нарушений на поле
участка нет. Встречаются зоны с неустойчивыми боковыми породами.
Отработка пласта осуществляется с опережающей отработкой пласта m3 –
«Толстый» не менее 40 м. Створы при отработке пласта отсутствуют. Отка-
точный штрек полевой, проводится в почве пласта на расстоянии не менее
5,0 м от последнего по нормали. Схема вентиляции участка возвратноточ-
ная. Отработка пласта осуществляется потолкоуступами. В качестве специ-
альной крепи в лаве применяются костры из обрезанных стоек (стойка диа-
метром 16–20 мм, разрезанная пополам). Костры устанавливаются через 2,7 м
по простиранию и 4,0 м – по падению. Опережение нижней печи по отноше-
нию к уступу №1 составляет не менее 20 м. Управление кровлей в лаве осу-
ществляется в режиме предельных пролетов, расстояние между которыми
20-25 м. На сопряжении каждого из пролетов выкладываются 2 ряда костров
из обрезанных стоек. Расстояние между кострами 1,8 м по простиранию и
1,8 м по падению, считая по осям.
Для проведения гидродинамического воздействия на угольный пласт че-
рез породную пробку бурились технологические скважины (рис. 1).
Бурение скважин осуществлялось в три этапа:
– бурение скважины диаметром 76 мм с перебуриванием пласта;
– разбуривание скважины диаметром 76 мм до диаметра 96 мм с перебу-
риванием пласта;
70
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
Рис. 1. Расположение технологических скважин
– разбуривание скважины диаметром 96 мм до диаметра 150 мм на глу-
бину герметизации не менее 5 м.
Скважина на глубину разбуривания обсаживалась отрезками стальных
труб с наружным диаметром 104–112 мм, длиной по 2–2,2 м, а затрубное про-
странство заполнялось песчано-цементным раствором при помощи сжатого
воздуха. Для этого в специальном металлическом бачке емкостью 20–30 л с
герметически закрывающейся крышкой приготовлялся цементный раствор и
через штуцер, расположенный в верхней части бачка, подавался сжатый воз-
дух, в результате чего раствор через нижнее отверстие бачка по шлангам по-
ступал в скважину. При этом длина выступающей в выработку части трубы с
крепежным фланцем составляла не менее 0,3 м. Удержание обсадного става
на время тампонажа и затвердевания тампонажного раствора осуществлялось
при помощи крепления става круглозвенной цепью к рамам арочной крепи.
Гидродинамическое воздействие проводилось через технологические
скважины, пробуренные из полевого откаточного штрека. Давление нагне-
тания находилось в пределах 7 МПа. Время сброса давления на устье сква-
жины не превышало 0,1 с. Количество извлеченного из одной скважины уг-
ля достигало 9 т, а объем выделившегося метана – 22 тыс. м3. Результаты
воздействия приведены в табл. 2.
Коэффициент дегазации определялся из выражения
д p ф/k V V= ,
где Vр – расчетное количество газа в обрабатываемой зоне, м3, Vр = Smχγ,
(где S – площадь зоны обработки, м2; m – мощность угольного пласта, м; χ –
природная газоносность пласта, м3/т; γ – плотность угля, т/м3); Vф – факти-
ческий объем газа, выделившийся через технологическую скважину, м3, оп-
ределяемый по его концентрации в воздушной струе:
ф в0,01
Т
t
t
V S= ν C dt∫ ,
где N – скорость движения воздушной струи, м/мин; Sв – площадь сечения вы-
работки в месте замера, м2; Сt – прирост концентрации метана над фоновой, %.
71
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
Таблица 2
Результаты гидродинамического воздействия через технологические
скважины
Радиус эффективного воздействия
(м), определенный по количеству
№
ск
ва
ж
ин
ы
Масса
извле-
ченного
угля, т
Объем вы-
деливше-
гося мета-
на, тыс. м3
Объем тех-
ногенной
пористости
угля, м3 извлеченного
угля
выделившегося
газа П
ло
щ
ад
ь
о б
ра
бо
тк
и,
м
2
Ко
эф
фи
ци
ен
т
де
га
за
ци
и
1 4,6 17,0 3,3 7,4 14,0
2 – – – – –
3 7,0 21,0 5,0 9,2 11,8
1280 0,61
4 2,5 1,8 6,3 17
5 6,0 14,2 4,3 9,8 17 960 0,31
6 3,0 2,2 7,9 22
7 4,0 11,7 2,8 9,0 22 800 0,3
8 0,4 0,3 3,0 6
9 1,0 2,4 0,7 4,0 6 380 0,13
10 5,0 3,6 10,0 22
11 6,5 19,3 4,6 11,0 22 1290 0,31
12 8,0 5,7 11,0 20
13 9,0 16,4 6,4 11,7 20 1240 0,27
14 2,0 1,4 5,0 25
15 3,5 1,1 2,5 6,5 25 1220 0,02
Различие в объемах метана, выделившегося из скважин, связан с сущест-
венной разницей времени на дегазацию, т.е. времени между проведением
гидродинамического воздействия и отработкой скважины лавой. Коэффици-
ент дегазации для скважин № 14 и 15 рассчитан непосредственно после воз-
действия. Пример изменения расхода и давления воды на устье технологи-
ческих скважин приведен на рис. 2.
При выемке угля в месте обработки угольного пласта через технологиче-
ские скважины полости в пласте не обнаружены, уголь был интенсивно де-
зинтегрирован, а удельная поверхность дезинтегрированного угля в 2–3 раза
превышала удельную поверхность извлеченного угля. При прохождении ла-
вой зоны обработки влажность угля была увеличена только в сечении сква-
жины, заполненном разрушенным уплотненным углем.
Поведение кровли пласта l7
в
– «Пугачевка-запад» при выемке угля в обра-
ботанной зоне спокойное, нарушений кровли в виде повышенной трещино-
ватости или вывалов обнаружено не было. Размокания или увеличения
влажности вмещающих пород в зоне обработки также не наблюдалось.
В результате гидродинамического воздействия угольный пласт на площади
7170 м2 был дегазирован в среднем на 30%, что, по данным аппаратуры газовой
защиты и сейсмоакустического контроля, снизило газодинамическую актив-
ность угольного пласта в зоне воздействия и обеспечило безопасные условия
выемки угля по газу и внезапным выбросам угля и газа. Обработанный участок
72
Физика горных процессов на больших глубинах __________________________________
Рис. 2. Расход Qв (–■–)
и давление воды Р (–×–)
на устье скважины №1
в течение первого
(сплошные кривые) и
второго (штриховые)
цикла гидродинамиче-
ского воздействия на
угольный пласт
пласта имеет размеры 240 м по простиранию и 30 м по падению, а гидродина-
мическое воздействие явилось эффективным для дегазации и снижения газоди-
намической активности угольного пласта l7
в
– «Пугачевка-запад».
Таким образом, при гидродинамическом воздействии на угольный пласт
из него извлекается уголь и метан, что приводит к нарушению его природ-
ного геомеханического состояния, раскрытию природной и формированию
дополнительной (техногенной) трещиноватости, активизации быстрого пе-
рехода находящегося в угольном веществе метана из метастабильного со-
стояния в свободную фазу и разгрузке, создающей условия для деструкции
твердого компонента на микроуровне, что приводит как к снижению его га-
зодинамической активности, так и к интенсификации газовыделения.
1. Софийский К.К., Калфакчиян А.П., Воробьев Е.А. Нетрадиционные способы
предотвращения выбросов добычи угля. – М.: Недра, 1994. – 192 с.
2. Софийский К.К., Булат А.Ф., Силин Д.П. и др. Гидродинамическое воздействие на
газонасыщенные угольные пласты. – Днепропетровск: Полиграфист, 2003. – 220 с.
3. Shinn Y.N. From coal to single stage and two stage product: a reactive model of coal
structure // Fuel. – 1984. – 63, № 9. – P. 1187–1196.
4. Касаточкин В.Н., Горина Н.К. Строение и свойства природных углей. – М.:
Мир, 1986. – 306 с.
5. Алексеев А.Д., Зайденварг В.Е., Синолицкий В.В., Ульянова Е.В. Радиофизика в
угольной промышленности. – М.: Недра, 1992. – 183 с.
6. Изменения парамагнитных показателей системы «уголь–газ», отражающие ее
структурные особенности / Ефремов И.А., Бурчак А.В., Силин Д.П. и др. // Им-
пульсные процессы в механике сплошных сред: материалы VII международной
научной школы-семинара (21–25 августа 2007 г.). – Николаев: КП «Мико-
лаївська обласна друкарня», 2007. – С. 169–170.
Статья поступила в редакцию 14 мая 2009 года
73
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-12563 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:44:03Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Житленок, Д.М. 2010-10-13T13:43:12Z 2010-10-13T13:43:12Z 2009 Изменение структуры угольного пласта при его дегазации с применением гидродинамического воздействия / Д.М. Житленок // Физико-технические проблемы горного производства: Зб. наук. пр. — 2009. — Вип. 12. — С. 67-73. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. XXXX-0016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/12563 622.831.325.3 Наведено результати експериментальних робіт з дегазації вугільного пласта з використанням гідродинамічної дії і розглянуто її вплив на зміну структури вугілля. The results of experimental degassing treatment of a coal seams using hydrodynamic affects are presented. Influence of these affects on the coal structure is considered. ru Інститут фізики гірничих процесів НАН України Физика горных процессов на больших глубинах Изменение структуры угольного пласта при его дегазации с применением гидродинамического воздействия Structure changes in a coal seams at degassing treatment using hydrodynamic affects Article published earlier |
| spellingShingle | Изменение структуры угольного пласта при его дегазации с применением гидродинамического воздействия Житленок, Д.М. Физика горных процессов на больших глубинах |
| title | Изменение структуры угольного пласта при его дегазации с применением гидродинамического воздействия |
| title_alt | Structure changes in a coal seams at degassing treatment using hydrodynamic affects |
| title_full | Изменение структуры угольного пласта при его дегазации с применением гидродинамического воздействия |
| title_fullStr | Изменение структуры угольного пласта при его дегазации с применением гидродинамического воздействия |
| title_full_unstemmed | Изменение структуры угольного пласта при его дегазации с применением гидродинамического воздействия |
| title_short | Изменение структуры угольного пласта при его дегазации с применением гидродинамического воздействия |
| title_sort | изменение структуры угольного пласта при его дегазации с применением гидродинамического воздействия |
| topic | Физика горных процессов на больших глубинах |
| topic_facet | Физика горных процессов на больших глубинах |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/12563 |
| work_keys_str_mv | AT žitlenokdm izmeneniestrukturyugolʹnogoplastapriegodegazaciisprimeneniemgidrodinamičeskogovozdeistviâ AT žitlenokdm structurechangesinacoalseamsatdegassingtreatmentusinghydrodynamicaffects |