Введение к работе
Актуальность проблемы
Многие трудности отечественной угольной промышленности связаны с тем, что до сих пор нет технических и технологических решений, которые позволяли бы в конкретной горно-геологической и производственной обстановке, особенно в наиболее сложных случаях (пласты крутого падения, малой мощности, целики и проч.), нужным образом управлять свойствами и состоянием углепородного массива и подготавливать его к экономически-целесообразной выемке угля, одновременно повышая безопасность горного производства и создавая благоприятные предпосылки для решения проблем его экологической агрессивности. Причиной является ограниченность применяемых для этого средств предварительного воздействия на угольно-породный массив, большинство из которых по своему происхождению относятся к механическим, имеют масштаб, чаще всего сравнимый с характерными размерами горных выработок, что затрудняет (если не исключает вовсе) гибкое целенаправленное регулирование свойств массива в соответствии с поставленными производственными, социальными и коммерческими задачами.
Использование жидких ПАВ в качестве разупрочняющих реагентов позволило разработать ряд способов разупрочнения массива, основанных на использовании эффекта адсорбционного понижения прочности твердого тела (эффект Ребиндера) в результате протекания на его поверхности диффузионно-химических процессов. Однако применение жидких ПАВ для целого ряда производственных задач ограничено значительным временем пропитки массива. Этот недостаток можно устранить, используя в качестве разупрочняющего реагента газ, сорбционно-активный по отношению к углю.
В 1987 году обнаружен, а за истекшее десятилетие детально исследован процесс капилляроподобной конденсации неинертных газов в надмолекулярной структуре ископаемых углей, одним из последствий которого является интенсивное разупрочнение угля. Свойства физико-химического конденсационно-обусловленного процесса разупрочнения газонасыщенного угля таковы, что позволяют использовать этот процесс практически в любых горно-геологических условиях, в сочетании с любыми основными процессами разрушения угля, обеспечивающими его промышленную выемку и возможности управления геометрией выработанного пространства при разработке угольных месторождений подземным способом. Создание соответствующих нетрадиционных технологий требует разрешения ряда принципиальных вопросов физики взаимодействия с углем прежде всего газов с достаточно высокой температурой конденсации,
к которым, в частности, относится углекислый газ и производство которого в настоящее время не связано с серьезными техническими и экономическими проблемами.
Представленная работа выполнялась с 1991 года под научным руководством автора в Государственной научно-технической программе «Недра России» по Проблеме «Создание экологически чистых способов добычи угля и получения продуктов его переработки на месте залегания» в проекте Г-6 «Разработка и проведение опытной проверки нетрадиционной экологически чистой технологии добычи угля с использованием физико-химических, виброимпульсных и других воздействий на угольный пласт», а также в Отраслевом проекте Минтопэнерго РФ О-10 «Разработка эффективных способов разупрочнения горного массива и подготовки его к выемке».
Целью диссертационной работы является установление характерных закономерносгей физико-химического процесса разупрочнения углепородного массива диоксидом углерода, обоснование и разработка способов использования этого процесса при подземной разработке угольных месторождений.
Идея работы заключается в комплексных исследованиях эффективности применения углекислого газа для разупрочнения угля с использованием основ капилляроподобной конденсации углекислого газа в надмолекулярной структуре ископаемых углей для обоснования и разработки новых эффективных нетрадиционных способов управления состоянием углепородного массива в процессах подземной угледобычи.
В соответствии с целью и идеей в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Теоретическое моделирование массопереноса диоксида углерода в угольном пласте с учетом его физической адсорбции в угле.
-
Установление закономерностей влияния диоксида углерода на прочностные, физико-химические и электрофизические свойства ископаемых углей.
-
Моделирование напряженно-деформированного состояния углепородного массива на эквивалентных оптически-чувствительных материалах при воздействии диоксида углерода наугольный пласт.
-
Обоснование оптимальных режимов обработки угольного пласта диоксидом углерода и разработка элементов технологий управления состоянием углепородного массива для решения различных горнотехнологических задач.
-
Разработка комплекта оборудования для производства диоксида углерода, доставки и обработки угольных пластов при проведении шахтных работ и для дальнейшего использования в угольной промышлен-
ности при освоении новых способов управления состоянием углепородно-го массива.
-
Проведение шахтных экспериментов по исследованию изменения состояния углепородного массива при воздействии на него диоксида углерода.
-
Разработка способов разупрочнения углепородного массива диоксидом углерода для их использования при решении задач управления состоянием углепорордного массива и в технологиях нетрадиционной добычи угля подземным способом.
Научные положення, выносимые на защиту:
-
Применение газообразного диоксида углерода в качестве ра-зупрочняющего реагента с использованием явления фазового перехода сорбированного газа в угольном веществе позволило разработать новые физико-химические способы воздействия на углепородный массив, использование которых обеспечивает эффективное целенаправленное управление прочностными свойствами и напряженно-деформированным состоянием углепородного массива.
-
В диффузионном приближении массопереноса газового сорба-та в бипористой среде сорбента обоснована и детально проанализирована теоретическая модель процесса нагнетания в угольный пласт диоксида углерода через систему эквидистантных параллельных нагнетательных скважин, на основе которой качественно описаны наблюдаемые закономерности процесса его нагнетания и определены все характерные параметры этого процесса. На основе предложенной адекватной теоретической модели установлены зависимости, характеризующие интенсивность проникновения в угольный пласт диоксида углерода, которые определяются его диффузионной подвижностью в пласте и расстоянием между нагнетательными скважинами.
-
Установлено, что путем ослабления прочностных свойств угля при его разупрочнении диоксидом углерода можно эффективно уменьшать величину пучения почвы горной выработки. Получены аналитические зависимости, определяющие объемы пучения почвы и смещения контура горной выработки с учетом ползучести пород и образования области неупругих деформаций вследствие диспергирования угля диоксидом углерода, критерий диспергирования для различных марок угля.
-
Показатели изменения физико-механических характеристик угля диоксидом углерода:
- снижение прочности на растяжение образцов угля на 38-43% и существенное увеличение пластических деформаций в зависимости от цикличности обработки и характера нагружения;
- снижение прочности образцов угля, обработанных в режиме
обобщенного растяжения на 73,4%, в режиме обобщенного сдвига на
60%, в режиме обобщенного сжатия на 34%.
-
Эффекты адсорбции молекул диоксида углерода на поверхности щелочноземельных металлов (кальция и магния), входящих компонентами в золу угля в форме карбонитного иона СО \~ , состоящие в том, что процесс разупрочнения угольного вещества диоксидом углерода происходит интенсивнее с увеличением в его составе соединений СаО и MgO и установленные с использованием метода ИК-спектроскопии.
-
Закономерности снижения на углях интенсивности линий спектров дифракции рентгеновского излучения с ростом содержания соединений СаО и MgO для различных марок углей, подвергнутых разупрочнению диоксидом углерода, характеризующие изменения пластических свойств угольного вещества в зависимости от содержания в угле этих соединений.
-
Характерный эффект одновременного резкого изменения всех электрических свойств угля, вызванный конденсацией в нем сорбированного СОг, инициирующей необратимые структурные изменения углей. Качественно согласующиеся для разных марок углей температурные зависимости величины расклинивающего давления образующегося капил-ляролодобного конденсата диоксида углерода.
-
Снижение в 1,5-2 раза прочности угля в пласте в результате фазового перехода в сорбированном углем диоксиде углерода, послужившее основой для разработки эффективных способов разупрочнения угле-породного массива и позволившее при их использовании в промышленных условиях увеличить выход угольной массы с 60 % до 90% при отбойке угля длинными скважинными зарядами ВВ, а также снизить энергетические показатели при гидродобьие угля на 25-30%, рабочее давление в гидромониторах с 12 МПа до 7 МПа и уменьшить выход негабарита.
-
Полученные в промышленных условиях увеличение на 25-43% влажности угольного пласта, снижение его температуры на 1,5-2 С, снижение концентраций напряжений на 30-50% при обработке удароопасно-го угольного пласта диоксидом углерода, соответствующие ситуации, в которой проявление удароопасности исключается.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
физико-технической корректностью постановки и решения задач теоретического моделирования нагнетания в пласт диоксида углерода;
экспериментальным подтверждением теоретически установленных закономерностей нагнетания в условиях капилляроподобной конденсации диоксида углерода в ископаемых углях;
использованием апробированных методов испытаний прочностных и деформационных свойств горных пород, метода моделирования на оптически-чувствительных материалах, современных методов контроля физико-химических свойств горных пород (метод ИК-спекгроскопии и рентгеновский качественный фазовый анализ);
достаточным и статистически обоснованным объемом и представительностью выполненных экспериментальных комплексных исследований в лабораторных, стендовых и натурных условиях;
соответствием метрологических характеристик, применяемых в экспериментах приборов уровню поставленных научных исследований;
удовлетворительной сходимостью, в пределах допустимых погрешностей, полученных теоретических и экспериментальных результатов;
положительными результатами промышленной апробации разработанных способов.
Научное значение работы заключается в установлении основных физико-технических закономерностей процессов разупрочнения угля диоксидом углерода и использовании этих закономерностей для управления состоянием углепородного массива при решении различных горнотехнологических задач подземной разработки угольных месторождений.
Научная новизна работы;
-
Разработаны научные основы и методология разупрочнения углепородного массива диоксидом утлерода на основе установленных закономерностей процесса диспергирования угля воздействием углекислого газа как эффективных способов управления состоянием углепородного массива при подземной разработке угольных месторождений.
-
Построена адекватная теоретическая модель процесса массо-переноса диоксида углерода, нагнетаемого в угольный пласт для его разупрочнения, с учетом сорбции диоксида углерода в поровом пространстве угля.
-
Исследованы взаимозависимости прочностных, деформационных и электро-физико-химических свойств углей при их циклической обработке углекислым газом в различных условиях механического на-гружения и установлены характерные фундаментальные закономерности процессов диспергирования угля диоксидом углерода.
-
На основе проведенных аналитических исследований и физического моделирования получены зависимости и расчетные величины объемов пучения почвы и смещения контуров горных выработок, подтвержденные шахтными экспериментальными замерами, теоретически обоснована и практически доказана возможность применения эффекта разупрочнения угольного пласта диоксидом углерода для борьбы с горными ударами, основанная на рассчитанных и подтвержденных натурными за-
мерами характерных изменениях величины концентрации напряжений в массиве, температуры и влажности угольного пласта при его обработке углекислым газом, а также получены количественные зависимости, характеризующие интенсивность распространения углекислого газа в угольном пласте, позволившие реализовать нетрадиционные технологии добычи угля.
Практическое значение работы заключается:
в обосновании комплекса технических решений, повышающих эффективность способов и средств разупрочнения углепородного массива в процессах подземной добычи угля;
в методиках инженерных расчетов параметров технологических воздействий на угольный пласт диоксида углерода;
в разработке и создании комплекта оборудования для проведения производственных работ по управлению состоянием массива и добыче угля;
в разработке способов разупрочнения углепородного массива для целей охраны горных выработок, борьбы с горными ударами и способов добычи угля при подземной разработке угольных месторождений.
Реализация результатов работы осуществлена;
при разработке следующих отраслевых нормативных документов: "Временные технологические схемы разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения" и Инструкция по безопасному применению "Временных технологических схем разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения», "Руководство по ведению взрывных работ в угольных шахтах", "Рекомендуемые паспорта ведения буровзрывных работ для угольных шахт России";
при разработке технологических заданий, технических условий на оборудование и опытные участки для проведения шахтных работ;
при разработке и испытаниях комбинированного способа гидродобычи угля с использованием диоксида углерода;
при разработке и использовании способов управления состоянием углепородного массива для целей охраны горных выработок и борьбы с горными ударами;
при разработке и испытаниях нетрадиционной технологии добычи угля из крутых пластов с предварительным разупрочнением угля диоксидом углерода.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на:
VI Всесоюзном семинаре по горной геомеханике (Пермь, 1993);
X Международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993);
8-й Международной конференции по наукам об угле (Испания, Овьедо, 1995);
2-й Международной конференции «Экология и развитие Северо-Запада России» (Санкт-Петербург, 1997);
9-й Международной конференции по наукам об угле (Германия, Эссен, 1997);
2-м Международном рабочем совещании «Проблемы геодинамической безопасности» (Санкт-Петербург, 1997);
Научном Симпозиуме «Неделя горняка - 98» (Москва, 1998);
8-й Международной конференции по геологии угля (Прага, 1998).
Публикации:
По теме диссертации опубликовано самостоятельно и в соавторстве 26 работ, в т.ч. 4 брошюры, 3 отраслевых нормативных документа и 2 патента РФ.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и содержит 265 сгр. текста, в том числе 58 рисунков, 14 таблиц, 7 приложений и список литературы из 173 наименований.