РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ
ПРЕДВАРИТЕЛЬНО УВЛАЖНЕННОЙ ЗОНЫ В УГОЛЬНОМ МАССИВЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗАПЫЛЕННОСТИ ВОЗДУХА ПРИ ВЗРЫВНОЙ ОТБОЙКЕ УГЛЯ С УВЕЛИЧЕНИЕМ ВЛАЖНОСТИ ПЛАСТА
2.1. Разработка физико-механической модели процесса увлажнения угольного массива, находящегося в зоне опорного горного давления.
Для выполнения поставленной цели по предупреждению пылегазообразования при взрывной отбойке угля необходимо разработать достаточно точное физико-механическое описание процесса увлажнения и получить расчетные зависимости, связывающие искомые параметры и гидравлические параметры пласта с учетом динамики горного давления в зоне влияния горных выработок. Для этого следует проанализировать, в какой мере эти задачи были решены проведенными ранее исследованиями и наметить пути перехода к решению подобных задач.
По методам подхода к решению задач по определению параметров увлажнения пластов большую часть литературных источников можно разделить на три основные группы.
Первая объединяет работы [25,76], в которых движение воды в угольном пласте уподобляется фильтрации в пористых средах типа грунтов, где справедливы закономерности классической теории фильтрации жидкости. При этом как вода, так и вещество угольного пласта считаются несжимаемыми, и предполагается, что влагоемкость угля равна объему фильтрующих пор.
В работах второй группы [115,116] для расчета параметров увлажнения используются закономерности нестационарной фильтрации при упругом режиме. Для этого направления типичны работы В.Д. Карпухина и В.А. Лекарева, в которых рассматривается нестационарная фильтрация в изотропном пласте при постоянном темпе нагнетания.
К третьей, наиболее многочисленной группе относятся работы [46,51,69,117,118], в которых даются чисто эмпирические методы определения параметров увлажнения угольных пластов. Эти работы - результат конкретного опыта увлажнения пластов и естественно, наиболее многочисленны.
Общим недостатком всех рассматриваемых групп методов является представление о неизменности протекания процессов увлажнения, как в массиве, так и в зоне влияния очистных работ. В связи с тем, что величина параметров увлажнения зависит от фильтрационно-коллекторских свойств угольных пластов, параметры увлажнения должны устанавливаться опытным путем и корректироваться при существенном изменении физико-механических свойств и структурных особенностей угольного массива [119]. На практике, такие параметры, как длина скважин lскв , м, длина герметизации lг , м, длина фильтрующей части lф , м, расстояние между скважинами а, м, для каждого угольного пласта устанавливаются с учетом свойств этого пласта и технологии ведения очистных или подготовительных работ по пласту, однако в период ведения самих работ принимаются величинами постоянными и не корректируются.
Исследованиями, проведенными в ДонНТУ [68, 70, 96], установлено, что процесс гидровоздействия следует рассматривать в динамике. Наиболее существенное отличие предлагаемых принципов увлажнения заключается в том, что учитываются изменения размеров и расположение скважин в зависимости от формирования и перемещения зоны максимума опорного давления, в свою очередь определяемого направленным изменением физико-механических и компрессионных свойств угля ; процесс влагонасыщения угля рассматривается во времени и включает поэтапное гидровоздействие на массив.
На основании представлений о процессе проникновения водных растворов ПАВ-ПС в массив угля и перераспределения горного давления в зависимости от изменения прочностных характеристик угля, предлагается физико-механическая модель увлажнения угольного массива в зоне производства взрывных работ, которая включает в себя следующие положения:
1. Увлажняемый массив рассматривается как неоднородное пористое газонасыщенное тело, подвергнутое влиянию как очистной, так и подготовительной выработок. В результате увлажнения формируются следующие зоны увлажнения:
Зона ( - зона, непосредственно примыкающая к подготовительной выработке. Водный раствор ПАВ, попадая в нее по максимально открытым трещинам, двигается по кратчайшему пути в направлении обнаженной поверхности пласта в горной выработке. Эффект смачивания поверхности этих трещин максимален, как и действие эффекта адсорбционного понижения поверхностной прочности, за счет клинового эффекта.
Зона (( - зона максимального сжатия пласта (???) и минимального проникновения водного раствора ПАВ, но достаточного для увлажнения угля, даже при rmin= 0,5м; при изменении прочностных свойств угля эта зона может перемещается в массиве.
Зона ((( - зона объемного всестороннего сжатия угольного пласта и распространения водного раствора ПАВ при дополнительном использовании перемещающегося горного давления.
2. При проведении увлажнения учитываются изменения прочностных свойств угля и осуществляется корректировка параметров увлажнения: длины скважин lскв, м, глубины герметизации скважин lг, м, минимального расстояния от очистного забоя до зоны влияния первой скважины lувл, м, что повлияет на объем нагнетаемой жидкости Qскв, м3, и продолжительность нагнетания tн , ч и позволит качественно обработать часть пласта, примыкающую к подготовительной выработке.
Сущность предлагаемой модели поэтапного гидровоздействия на угольный пласт растворами ПАВ, представлена на рис.2.1.
Так, если фильтрующая часть увлажняющей скважины расположена перед зоной максимума опорного давления, нагнетание приведёт к вытеснению газа в горные выработки и повышенной вероятности прорыва в них водных растворов.
При ее расположении за указанной зоной, газ перемещается в глубь массива, скважина работает до тех пор, пока не произойдет влагонасыщение угля и максимум опорного давления не сместится в массив.