Разработка комбинированного способа разупрочнения угля с целью управления напряженно-деформированным состоянием горного массива

Ельский, Максим Валерьевич

Автореферат диссертации по теме "Разработка комбинированного способа разупрочнения угля с целью управления напряженно-деформированным состоянием горного массива"

На правах рукописи

ЕЛЬСКИЙ Максим Валерьевич

УДК 622.123:622.411.31.001

РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННОГО СПОСОБА РАЗУПРОЧНЕНИЯ УГЛЯ С ЦЕЛЬЮ УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННЫМ СОСТОЯНИЕМ ГОРНОГО МАССИВА

Специальность: 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Национальном научном центре горного производства -Институте горного дела им. A.A. Скочинского

Научный руководитель:

доктор технических наук

ДЖИГРИН Анатолий Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

ЧИРКОВ Сергей Ефимович

кандидат технических наук

ПРИСТАШ Владимир Васильевич

Ведущая организация - Государственный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела межотраслевой научный центр ВНИМИ

Защита диссертации состоится «30» ноября 2005 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 222.04.02 в ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского по адресу: 140004, Московская обл., г. Люберцы

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ННЦ ГП -ИГД им. A.A. Скочинского

Автореферат разослан « » /(О_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, докт. техн. наук, профессор

ИЩУК И.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Основными направлениями угледобывающей отрасли на современном этапе является более полное использование основных фондов действующих шахт, наиболее важным из которых является повышение устойчивости подготовительных выработок.

Состояние горной выработки в зависимости от ее назначения должно удовлетворять различным требованиям, основным из которых является обеспечение безопасных условий для работающих людей. Для выполнения этого требования горная выработка как подземная конструкция должна быть устойчивой. Указанное требование обеспечивается, как правило, возведением крепи в выработке. Объем крепления в основном определяется величиной нагрузки на крепь, которая зависит от ряда факторов и, в том числе от степени нарушенно-сти вмещающего выработку массива пород. Поэтому, увеличивая тем или иным путем прочность пород вокруг выработки, можно несколько уменьшать ожидаемую нагрузку на крепь или при определенных условиях отказаться от нее.

В связи с постоянным усложнением горных работ от решения вопросов поддержания подготовительных выработок в нормальном эксплуатационном состоянии зависит эффективность работы комплексно-механизированных очистных забоев, безопасность труда шахтеров, так как уменьшение сечения подготовительных выработок ухудшает условия транспортирования и вентиляции в шахтах, что приводит к снижению добычи угля в очистных забоях и резкому снижению безопасности ведения горных работ, особенно на высокогазообиль-ных пластах. При проведении горных выработок изменяется естественное напряженное состояние массива горных пород, что приводит к деформации пород кровли, почвы и боков. Следует отметить, что характер проявления деформаций горных выработок и их интенсивность часто определяют выбор различного рода мероприятий по их снижению и зависят от физико-механических свойств горных пород, глубины разработки, параметров крепи, характера протекания процессов разрушения боковых пород и т. д.

Как известно, ведение очистных работ вызывает значительные смещения контура подготовительных выработок, что приводит к большим затратам на их восстановление. Наибольшие величины конвергенции приходятся на зоны повышенного горного давления (ПГД). Существующие средства и способы крепления и охраны горных выработок в зонах ПГД не дают ожидаемого результата, так как значительные смещения горных пород в выработке происходят также и впереди очистного забоя, где затруднено возведение искусственных ограждений за исключением применения усиливающих средств крепления в выработке. Применение же разгрузочных щелей, скважин и т.д. не всегда дают ожидаемого результата из-за малых полостей разгрузки.

Таким образом, изыскание новых технико-технологических решений в данной области, в частности разработка новых способов активного воздействия на угольный массив с целью снижения интенсивности проявлений горного давления, представляет большой научно-технический интерес. В связи с этим разработка комбинированного способа разупрочнения угля с целью управления

?ОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СПеТ1(>) ОЭ

напряженно-деформированным состоянием горного массива и как следствие повышения устойчивости выработок на весь планируемый эксплуатационный срок их службы является актуальной проблемой.

Цель работы. Разработка способа повышения устойчивости подготовительных горных выработок и их безопасной эксплуатации в зонах повышенного горного давления.

Основная идея работы заключается в активном управлении напряженно-деформированным состоянием горного массива посредством комбинированного разупрочнения угольного пласта диоксидом углерода и водой с интенсификацией процесса энергией сжатого воздуха высокого давления.

Методы исследований включают в себя анализ и обобщение научно-технической литературы по рассматриваемым вопросам, аналитические и экспериментальные исследования процесса комбинированного разупрочнения угля диоксидом углерода и водой с интенсификацией процесса энергией сжатого воздуха высокого давления в лабораторных и производственных условиях с использованием метода моделирования процессов в лабораторных условиях, обработку данных методами математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Способ и параметры комбинированного разупрочнения угольного массива на основе нагнетания под давлением, не ниже 2,8 МПа, в пласт диоксида углерода и воды с интенсификацией процесса динамического раскрытия трещин энергией сжатого воздуха под давлением 40-^80 МПа, является эффективным способом управления состоянием горного массива.

2. Комбинированное разупрочнение угольного массива (за счет изменения механических свойств в сторону увеличения пластических и уменьшения прочностных характеристик) приводит к изменению напряженно-деформированного состояния горного массива впереди выработки, заключающегося в перемещении зоны повышенных напряжений вглубь массива с уменьшением коэффициента концентрации напряжений в 2,0-5-2,5 раза.

3. Комбинированное воздействие на угольный пласт диоксида углерода и высоконапорной воды приводит к снижению крепости угля в 2 раза в радиусе 2-гЗ м, при интенсификации процесса разупрочнения угля энергией сжатого воздуха под давлением 40-80 МПа, раскрытие трещин достигает радиуса 7+10 м.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- значительным объемом аналитических, стендовых и экспериментальных шахтных исследований основных подсистем технологии комбинированного разупрочнения угольного массива;

- использованием комплекса апробированных натурных и лабораторных экспериментальных методов;

- статистически обоснованным объемом испытаний и высоким значением критериев достоверности и надежности установленных зависимостей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлен критерий оценки снижения прочности угля после комбинированного воздействия диоксида углерода и высоконапорной воды и его влияние на деформационные характеристики угольного массива.

2. Установлена зависимость изменения напряженно-деформированного состояния горного массива от параметров комбинированного способа разупрочнения угля.

3. Теоретически и экспериментально обоснованы параметры комбинированного разупрочнения угольного массива.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей комбинированного разупрочнения угольного пласта и его влияния на изменение напряженно-деформированного состояния горного массива.

Практическое значение работы заключается:

- в обосновании комплекса технических решений, направленных на разработку комбинированного способа разупрочнения угольного массива;

- в разработке и создании комплекса оборудования для проведения работ по предварительному комбинированному разупрочнению угольного массива.

Реализация работы. Основные результаты исследований реализованы при составлении технических требований и технических условий на комплекс оборудования для проведения работ по комбинированному разупрочнению угольного массива, а также вошли в нормативный документ «Каталог рекомендуемых способов управления состоянием горного массива для угольных шахт России», утвержденный Департаментом угольной промышленности Министерства энергетики России и согласованный с Госгортехнадзором России.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах ННЦ ГП ИГД им. A.A. Скочинского (2003-2005 гг.) и ВНИМИ (2005 г.), а также на 3-й Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», 13-15 апреля 2005 г., Воркутинский горный институт филиал СПбГТИ (ТУ), г. Воркута.

Публикации. По теме диссертационной работы автором опубликовано 4 печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Возросшие требования к экологии горнодобывающих производств, стремление сократить количество людей, работающих непосредственно в забое, полнее использовать разведанные запасы угля, находящиеся в сложных горногеологических условиях (тонкие и весьма тонкие пологие пласты, нарушенные, ударо- и выбросоопасные, крутые во всем диапазоне мощности), привели к поиску и созданию нетрадиционных технологий.

Одним из направлений является создание таких технологий на основе использования диоксида углерода. Решению этой проблемы посвящены работы видных ученых: A.B. Астахова, A.B. Джигрина, O.A. Эдельштейна, Н.Ф. Тка-ченко, Д.Л. Широчина и др. Это направление стало развиваться с конца восьмидесятых годов. До этого времени применение диоксида углерода ограничивалось процессами углеобогащения, дробления угля и строительных материалов, а также различными процессами нефтедобычи.

Развитие этого направления начиналось с прогноза выбросоопасности и борьбы с выбросами угля и газа и продолжилось работами по управлению состоянием и свойствами углепородного массива и, в частности, по разупроч-няюшему действию газов на уголь. Предварительная разупрочняющая газовая обработка шахтопластов открывает перспективу создания новых технологий угледобычи. Сложность этой проблемы заключается в значительной мере в недостаточности знаний о структуре вещества полезных ископаемых и механизмах протекающих в них процессов. Процесс разупрочнения тонкой структуры трещиновато-пористого объема ископаемых углей при их взаимодействии с сорбирующимся диоксидом углерода рассматривался с точки зрения техники безопасности подземных работ и выбросоопасности шахтопластов.

Сведенные воедино знания об угле и диоксиде углерода помогут в разработке и совершенствовании нетрадиционных способов угледобычи.

В ходе отработки новых технологических решений способа разупрочнения угольного пласта с использованием физико-химического воздействия диоксида углерода на уголь был выявлен ряд его недостатков - это ограниченность его применения на пластах, которые имеют смятые трещиноватые зоны с большой проницаемостью, не позволяющие создавать и поддерживать в пласте пороговое давление. Кроме того, проницаемость пород и угля по газу в несколько раз превышает их проницаемость по жидкости, что при наличии трещин делает закачку диоксида углерода в угольный пласт экономически неоправданной.

Нагнетание воды в угольный массив при различных параметрах увлажнения пласта влияет на газовыделение и изменение напряженного состояния массива. Увлажнение угольного массива является одним из самых распространенных способов борьбы с выбросами при вскрытии пластов, склонных к внезапным выбросам. Изучению процесса нагнетания воды в угольный массив и установлению параметров увлажнения пластов посвящено большое число работ видных ученых: И.В. Боброва, A.C. Бурчакова, В.П. Журавлева, П.Г. Киселева, JI.H. Карагодина, P.M. Кричевского, Н.В. Ножкина, Е.И. Онтина, И.М. Печука, В.В. Ходота и др.

Однако следует отметить, что из-за крайне неравномерной водопроницаемости угля невозможно добиться равномерного увлажнения угольного массива, что в свою очередь приводит к снижению эффективности применяемых методов управления напряженно-деформированным состоянием горного массива.

В 60-70 годы XX столетия в СССР был выполнен комплекс работ по разработке способа разрушения горных пород и угля, который основан на быстропроте-кающем процессе высвобождения энергии сжатого воздуха высокого давления (4080 МПа) из пневмопатрона специальной конструкции. Эффект разрушения массива достигается в результате воздействия силового импульса расширяющегося сжатого воздуха между корпусом пневмопатрона и стенками шпура или скважины. Решению этой научно-технической проблемы посвятили свои работы видные ученые: Д.И. Адамидзе, Н.Ф. Кусов, Э.О. Миндели, Г.А. Лихоманов и др.

Однако существующие конструкции пневмопатронов не могут быть применены для эффективного разупрочнения угольного массива, так как все они

однократного действия и требуют после каждого срабатывания производить их перезарядку вручную.

На основании проведенного анализа для достижения цели работы нами поставлены следующие задачи исследования:

1. Проведение комплекса аналитических, стендовых и шахтных исследований по определению оптимальных параметров комбинированного разупрочнения угольного массива диоксидом углерода и водой с интенсификацией процесса энергией сжатого воздуха высокого давления.

2. Экспериментально-аналитические исследования основных подсистем комбинированного разупрочнения и установление критерия снижения прочности угля и его влияния на деформационные характеристики горного массива.

3. Установление зависимости оптимальных технологических параметров комбинированного способа разупрочнения угля с изменением напряженно-деформированным состоянием горного массива.

4. Разработка комплекса оборудования для проведения работ по предварительному комбинированному разупрочнению угольного массива.

Статистические данные, накопленные за время эксплуатации угольных месторождений, свидетельствуют о том, что основные динамические проявления горного давления, вызывающие горные удары, выбросы угля и газа, повреждения элементов крепи, происходят в зоне опорного давления лавы, которая располагается впереди очистного забоя на расстоянии 10-30 м, поскольку именно в этой зоне формируется область максимальных концентраций напряжений в углепородном массиве.

В связи с этим особую актуальность для угольной промышленности приобретает проблема разработки эффективных способов и средств активного воздействия на углепородный массив с целью снижения действующих в нем напряжений.

Настоящая работа посвящена установлению ряда закономерностей формирования напряженного состояния вмещающего массива при предварительном комбинированном разупрочнении угольного пласта путем его физико-химической обработки.

В целом ряде работ показано, что управление прочностными и деформационными свойствами горных пород возможно осуществлять путем физико-химического воздействия адсорбционно-активных сред на углепородный комплекс. За счет снижения свободной поверхностной энергии при адсорбции молекул и ионов поверхностно-активных веществ происходит изменение напряженного состояния массива — его разгрузка. Зная специфику воздействия на углепородный массив адсорбционно-активных сред и исходя из геотехнологических требований, предъявляемых к массиву, можно подобрать такой состав, в присутствии которого будут исключены такие отрицательные проявления, как горные удары, стреляния обрушения пород кровли, пучения почвы и т. д.

В связи с этим одним из вариантов развития нетрадиционной технологии управления состоянием горного массива является физико-химическое воздействие диоксида углерода на ископаемый уголь. К настоящему времени накоплено значительное количество экспериментальных данных, свидетельствующих

о снижении прочности углей после обработки диоксидом углерода. Установлено, что разупрочнение углей диоксидом углерода обусловлено его конденсацией в пористой структуре угля. Как известно, ископаемый уголь имеет сложную структуру, состоящую из набора элементов разного пространственного масштаба, причем массоперенос диоксида углерода в углях регламентируется участками, трещиновато-критическими для данной температуры, что приводит к его конденсации. Образующиеся при такой конденсации многочисленные жидкие включения понижают прочность угля и разупрочняют его. Проведенные исследования показали, что эффективность при разупрочнении угля при сорбции диоксида углерода существенным образом зависит от степени метаморфизма, выхода летучих и вида напряженного состояния, в котором находится уголь, причем последний фактор влияет значительнее других, что связано, вероятно, с механохимическими процессами.

В качестве лабораторного метода исследования выбран метод физического моделирования оптически-чувствительных материалов, являющийся практически единственным, позволяющим изучать процессы изменения напряженно-деформиро ванного состояния массива пород со сложной системой неоднород-ностей и учетом граничных условий (подготовительные и очистные выработки, целики, крепь выработок), а также получать достоверную информацию о тенденциях изменения напряженного состояния в любой точке массива и контура выработок с целью оценки их устойчивого состояния.

Схема физического моделирования базировалась на следующих горногеологических и технологических параметрах отработки.

Кровля и почва представлены крепкими и средней крепости породами. Средняя вынимаемая мощность пласта 2 м. Размер оставляемых целиков 5 м, 10 м. Ширина диспергирования изменялась дискретно: 2м-6м - 10 м. Соотношение модулей упругости кровли и угольного пласта: Еп/Еу=7; угля и диспергированного угля: Еу/Ед=2.

Исходя из данных условий была разработана слоевая модель из оптически-чувствительных материалов. Модель изготавливалась с полостями необходимых форм и размеров, имитирующих выемочные выработки и другие зоны не-однородностей.

При двух размерах целика (1=5 м, 10 м) моделировались диспергированные участки размерами и=2,6, 10 м.

Пригрузка модели обеспечивала моделирование напряженного состояния массива при глубине разработки до 500 м.

Схема моделирования предусматривала определение полей напряжений по всей модели. Для наиболее полной передачи информации о напряженном состоянии массива значения напряжений определялись как по горизонтальным, так и по вертикальным сечениям кровли.

Теоретическим обоснованием правомерности моделирования напряжений в массиве является инвариантный анализ уравнений теории упругости, определяющих решение данной задачи: уравнений равновесия, Коши, закона Гука и граничных условий.

Масштаб моделирования принят 1:200.

В качестве материала, моделирующего кровлю и почву пласта, использовался эпоксиэластик с модулем упругости Еу=3,0 МПа. Эпоксиэластик был получен на основе алифатической смолы УП-655 при модифицировании ее эпоксидной смолой ЭД-20.

При моделировании угольного пласта использовался полиакримидный гель, полученный в результате полимеризации акриламида. Модуль упругости составлял Еу=0,6 МПа.

Зона диспергирования имитировалась эпоксигелем с модулем упругости Ед=0,3 МПа.

Результаты исследования поля напряжений представлены в виде коэффициента концентрации напряжений К. Тогда напряжения в натуральных условиях определяются в каждой геометрически подобной точке умножением этого коэффициента на величину уН.

В результате исследований получены:

Картины интерференционных полос в моделях для различных сочетаний исследуемых факторов:

значения коэффициентов концентрации напряжений в горизонтальных и вертикальных сечениях кровли;

обобщающие графики зависимости коэффициентов концентрации напряжений от изменения длины диспергированной зоны и размеров целика.

На рисунках 1 и 2 представлены графики распределения концентрации напряжений в горизонтальных и вертикальных сечениях кровли с различной зоной диспергирования при ширине оставляемого целика 5 м.

При зоне диспергирования 2 м напряжения в породах кровли вокруг выработки уменьшаются почти в 1,3 раза по сравнению с моделями без диспергирования угольного пласта.

При увеличении зоны диспергирования (до 6 и 10 м) напряжения в породах кровли вокруг выработки возрастают, но все равно остаются меньше напряжений в этой же области модели без диспергирования угольного пласта.

Надо отметить, что при ширине целика 5 м и зоне диспергирования 10 м наблюдаются максимальные напряжения в породах кровли над зоной диспергирования (т. е. максимальные напряжения переносятся вглубь массива), в то время как на контуре и вблизи выработки над целиком напряжения уменьшаются почти в 1,2 раза по сравнению со случаем отсутствия диспергирования угольного пласта.

Из рассмотрения вертикальных сечений (рис. 2), проведенных параллельно бортам выработки: по оси выработки (1в), вдоль борта выработки (Пв) и на расстоянии ш от борта выработки (Шв) - следует, что с увеличением зоны диспергирования повышаются напряжения в породах кровли над целиком. По мере удаления по высоте от пласта напряжения уравниваются.

Следует отметить, что по горизонтальному сечению напряжения в породах кровли над целиком незначительно изменяются с изменением зоны диспергирования участка, но при этом происходят значительные изменения коэффициента концентрации напряжений в породах кровли над зоной диспергирования угольного пласта.

II г

\

К

1,6 1,4 1,2 1,0

х_ т

10 9 8

1а ■4-

О* N

-- --. --

К

1,6 1,4 1,2 1,0

т

10 9 8

: '¡/¡¿¡жкШ

п = Ом п = 2м п = 6 м п= 10 м

2м

6 м

Юм

5 м

Рис. 1. Распределение напряжений в горизонтальных сечениях кровли при длине целика /=5 м

1в

к

|||

II ¡11

\ <

>

Г/

1,2

0,8

0,4

_У т

5 4

3 2 1

Ив

У 7' /1

/ /

........ £ / 1 V 9

К

1.8

1,4

1,0

_у

т

5 4 3 2 1

III в

п = 2и

■6 м

п= 10 м

Рис. 2. Распределение напряжений в вертикальных сечениях кровли при длине целика /=5 м

Анализ результатов моделирования при увеличении ширины оставляемого целика до 10 м показал, что, по сравнению с шириной целика в 5 м, напряжения в соответствующих точках кровли увеличиваются в 1,15-1,3 раза для аналогичных при диспергировании.

На основании приведенных исследований можно сделать вывод, что оптимальная ширина межскважинных целиков, при которых происходит наибольшее снижение коэффициентов концентрации напряжений в кровле в результат диспергирования угольного пласта диоксидом углерода, является ширина, равная (0,5 -1,0) т, где т - мощность пласта.

Экспериментальные работы по диспергированию угольного пласта диоксидом углерода, как основной подсистемы комбинированного разупрочнения угля, совместно с представителями ВНИМИ «ПечорНИИпроект», проводились на шахте «Заполярная» ПО «Воркутауголь» в вентиляционном штреке лавы 114-С пласта Четвертого, который находился в зоне влияния ПГД от краевой части пласта Тройного на глубине 610 м.

Работы по испытанию технологии диспергирования проводили на двух экспериментальных участках вентиляционного штрека, и один эксперимент проведен непосредственно в очистном забое.

Основной задачей экспериментальных работ являлась оценка эффективности применения технологии разгрузки угольного массива диоксидом углерода, а также технологии нагнетания и предварительно выбранных параметров расположения разгрузочных скважин.

На основе анализа результатов исследований были сделаны следующие выводы:

Применение диспергирования угольного массива диоксидом углерода резко снижает прочностные свойства угольного массива. На участке, расположенном вне действия максимальных напряжений, т. е. на расстоянии 2 м от стенки выработки в отжатой части угольного массива его сопротивление внедрению индентора составило 7,2 МПа. Сопротивление внедрению индентора на участке камеры высокого давления до нагнетания диоксида углерода в 4,5 м от устья (в пригруженной зоне) составило 5,2 МПа. В контрольной скважине, расположенной в 0,9 м от рабочей, сопротивление внедрению индентора в забой скважины составило 3,6 МПа. Таким образом, диспергирование угля приводит к снижению его прочности на 33%.

Температура угольного массива после диспергирования снижена на 24 °С. Это соответствует снижению концентрации напряжений в 1,6 - 2,5 раза.

Рабочая влажность угля в радиусе диспергирования повышается на 2543%, что способствует снижению удароопасности и уменьшению хрупкого разрушения угольного массива.

Выход штыба незначительно увеличился, до 3-5 л/м, но категория удароопасности отсутствовала, так как не наблюдались характерные щелчки, стуки в массиве, не происходило затягивание буровых штанг после прохода глубины на 5,0-5,5 м.

Сравнение результатов промеров рабочих скважин до диспергирования и контрольных скважин в его зоне показало, что в контрольных скважинах отсут-

ствуют каверны на стенках, характерные для хрупкого разрушения угля, а скважины как бы «заплывают», сохраняя свою длину в течение суток.

В зоне активного опорного давления приемистость скважин и эффективность диспергирования ниже, чем вне зоны влияния, где период нагнетания диоксида углерода в 1,5 - 2,6 раза выше.

Оптимальное расстояние между скважинами для условий пласта XXVII составляет 1,3 - 1,5 м при удельном расходе диоксида углерода 0,5 - 0,8 л/м.

Однако, учитывая ряд недостатков, указанных выше, разупрочнения угля диоксидом углерода нами предлагается вариант комбинированного разупрочнения угля. Способ разупрочнения угольного пласта включает бурение скважин по пласту в обрабатываемую зону, подачу в них диоксида углерода под давлением, равным или большим порогового (2,8 МПа), выдерживание скважин при этом давлении до установления режима равновесия и диспергирования угля вокруг каждой скважины, закачки воды под давлением в образовавшуюся трещиноватую зону до полного ее водонасыщения, не доводя пласт до гидроразрыва, с интенсификацией процесса динамического раскрытия трещин, энергией сжатого воздуха под давлением 40-80 МПа. При этом работы по диспергированию угля диоксидом углерода, нагнетанию воды в пласт и импульсному разрушению угольного массива энергией сжатого воздуха осуществляется с помощью специального газогидравлического устройства.

На рис. 3 показана принципиальная схема расположения скважин для осуществления предлагаемого способа; на рис. 4 - зоны разупрочнения угольного массива вокруг скважины, разрез А-А на рис. 3.

Рис. 3. Технологическая схема комбинированного разрушения угольного массива

I-i-1

Рис. 4. Зоны разупрочнения угольного массива (по сечению А-А)

Способ реализуется следующим образом. Из горной выработки 1, например, штрека, бурятся по угольному пласту скважины 2 на расстоянии 5—10 м друг от друга. Устье скважин герметизируется на глубину 1,5-2 м специальным газо-гидравлическим устройством 3. Газо-гидравлическое устройство состоит из двух основных частей: механического герметизатора 4 и пневмоимпульсных патронов типа аэрдокс 5. Пневмоимпульсный патрон состоит из управляющего устройства и ряда последовательно соединенных камер. Имеются камеры двух типов: с выхлопными отверстиями (разрядное устройство) и без них (рабочие камеры). В совокупности эти две камеры образуют одну секцию пневмоим-пульсного патрона. При этом управляющим устройством компонуется только головная секция. Разрядные устройства отличаются направленным истечением потоков сжатого воздуха под углами 45, 90 и 135° относительно продольной оси патрона. Эти устройства комплектуются по длине таким образом, чтобы формировались потоки встречного направления. Путем применения рабочих камер различной длины можно регулировать объем сжатого воздуха в каждой секции, что позволяет изменять характер разрушения массива.

После герметизации устья скважины производится подача диоксида углерода под давлением не ниже порогового 2,8 МПа. Объем диоксида углерода из баллона 6, закачиваемого в угольный массив, составляет порядка 5—7% объема обрабатываемого массива, что соответствует приблизительно эффективной пористости пласта. При достижении радиуса зоны первичной обработки 1,5-2 м подача диоксида углерода прекращается. После этого производится нагнетание в скважину воды под давлением не превышающем гидроразрыв пласта, порядка (

3-5 МПа до полного водонасыщения разупрочненной зоны, образовавшейся после нагнетания диоксида углерода. Об окончании этого этапа можно судить по резкому снижению (на порядок) расхода подаваемой в скважину воды. Затем к газо-гидравлическому устройству (пневмоимпульсным патронам) с помощью высоконапорных шлангов 7 подсоединяется высоконапорный пневморессивер 8, в частности 14МТ.99, состоящий из сосуда БК-130-816С в сборе с трубопро-

водами, арматурой и манометром, смонтированных в пенале, и производят пневмоимпульсное воздействие на массив сжатым воздухом под давлением 4080 МПа.

Пневмоимпульсный патрон управляется дистанционно. На подводящей магистрали на безопасном расстоянии (не ближе 18-20 м) устанавливается трехходовой вентиль 9, с помощью которого осуществляется управление.

Время наполнения сжатым воздухом пневмоимпульсных патронов в зависимости от их полезных объемов при рабочем давлении в ресивере 80 МПа колеблется в пределах от 4 до 30 с и контролируется смещением стрелки забойного манометра.

Время срабатывания пневмоимпульсного патрона от момента поворота рукоятки вентиля в положение «сброс» при длине участка воздухопровода между отбойным вентилем и патроном равным 20-50 м колеблется соответственно в пределах 4-15 с.

При пневмоимпульсном воздействии вода, находящаяся в трещинах и порах первичной зоны разупрочнения 10, как рабочее тело совершает работу по дальнейшему разупрочнению угольного массива. Целесообразно после 2-3 циклов пневмоимпульсного воздействия осуществлять нагнетание воды в скважину и пласт в режиме водонасыщения образовавшейся дополнительной зоны трещинообразования 11.

Источник высокого давления (ИВД) представляет собой 4-х ступенчатый пневмоприводный мультипликатор, конструктивно оформленный в 3 модуля. Первый модуль - двухступенчатый пневмоприводный мультипликатор среднего давления (до 15 МПа); 2-й и 3-й модули - также двухступенчатые пневмо-приводные мультипликаторы высокого давления (до 60 МПа). Изготовлен один экспериментальный образец ИВД, который находится в стадии испытаний.

Установка по доставке диоксида углерода и обработки им угольного массива (УД-С<Э2) обеспечивает эффективное разупрочнение угольного массива со снижением прочности угля в 1,5 - 2,0 раза по сравнению с первоначальной. Установка УД-СО2 прошла промышленные испытания в условиях ш. «Зиминка» ПО УК «Прокопьевскуголь».

Процесс разупрочнения считается завершенным, когда из контрольной скважины (шпура) начнется выделение воды, в качестве контрольной служит скважина предыдущей обработки.

Экспериментальные исследования по установлению оптимальных параметров комбинированного разупрочнения угольного массива были выполнены в условиях ш. «Тырганская» УК «Прокопьевскуголь» на пл. «Мощном». В результате экспериментальных исследований было установлено, что комбинированное воздействие на угольный пласт диоксида углерода и высоконапорной воды приводит к снижению крепости угля в 2 раза в радиусе 2+3 м, а при интенсификации процесса разупрочнения угля энергией сжатого воздуха под давлением 40+80 МПа, раскрытие трещин достигает радиуса 7 +10 м.

В диссертационной работе выполнен ряд аналитических и шахтных экспериментальных исследований по оценке изменения напряженно-деформированного состояния угольного массива при его комбинированном разупрочнении.

В процессе рассмотрения влияния предварительного комбинированного разупрочнения угольного пласта на параметры зоны опорного давления мы воспользовались решением задачи о распределении напряжений в горном массиве при проведении очистных работ, полученным Г.И. Баренблаттом и С.А. Христиановичем, и получившем дальнейшее развитие в ряде других работ.

Полученное в работе Г.И. Баренблатта и С.А. Христиановича распределение напряжений впереди очистной выработки схематично представлено на рис. 5: за начало координат принята точка смыкания пород кровли и почвы; х -фиктивное положение забоя, получающееся при решении задачи о напряженном состоянии в тяжелом упругом полупространстве с полубесконечной щелью, в которую вбит жесткий угольный клин; х'0 - положение забоя с учетом того, что вблизи него уголь находится в пластическом состоянии; х\ - положение максимума опорного давления с учетом пластической зоны.

*о о Л1

Рис. 5. Схема распределения напряжений впереди очистной выработки по Г.И. Баренблатту и С.А. Христиановичу

Вблизи выработки имеем пластическую зону длиною 1= х 1- х '0 и упругую зону (х >*|). Напряжения в упругой области записываются в виде

а" = уН

х-ха

(л, 2 х < оо)

Здесь

НЕ

(1)

(2)

где И - половина мощности пласта; Е - модуль упругости пород кровли; V - коэффициент Пуассона пород кровли; уН - первоначальные напряжения на глубине разработки Н.

В призабойной зоне, если считать, что в пластическом состоянии интенсивность касательных напряжений в угле постоянна и равна К, закон распределения нормальных к плоскости пласта напряжений принимает вид

Для определения величинх'0их\ имеем следующие соотношения:

X. Хп

'¡Г(х)с1х = уНх0

+ 1п

(4)

(5)

Соотношение (4) выражает равенство в сечении х = х\ вертикальной нагрузки в пластической зоне и нагрузки в этом сечении, определенной из условия отсутствия деформаций кровли при фиктивном расположении забоя в сечении х0, а соотношение (5) - равенство полной нагрузки на кровлю в пластической зоне и фиктивной нагрузки на участке от * = хо до х = Х].

Приведенные результаты используем для установления влияния комбинированного разупрочнения угольного пласта на протяженность пластической зоны и величину концентрации напряжений.

Подставляя в соотношения (4) и (5) закон распределения напряжений в пластической зоне в виде (3), получаем:

к{{*+{\=гнх°

Введем следующие обозначения:

Г ПГ(х > с

+ 1п

Ухо 1*0 J \

-1 +

(6) (7)

К _ I _ > _ •

—-г-л , -<„ -хг

уН И х0

Тогда, поделив обе части уравнений (6) и (7) на уН, получаем:

(8) (9)

Как известно, коэффициент концентрации напряжений Кк есть отношение максимальных напряжений к первоначальным, т.е. Кк = а^ / уН. Выражение для Кк получим из (3), положив Х = Х|. Тогда имеем

- ■ ' (10)

К'= [12+1' После этого уравнение (8) запишется в виде

К. ~ • I . . > х, -1

(И)

откуда

х, =-

К

К1-Х

Подставим полученное для х' выражение в уравнение (9):

к2 А 1 к. Л

- + 1п

К'1-{л + 1.) = х0

К2-\

(12)

(13)

Кроме того, имеем:

. К+1 . к +1 1 к+1

1п . * = 1п—-— = —1п—1— и

ТР^Т 2 Л-,-1

2 12 4 / ' " К

тг'ИК

Подставив (14) в уравнение (13) и положив хд/И = х'0, получаем #+1 1 ,,, „ К л2 К'

1п-

К'х„

К2 -2

А".2-1 4x1

(14)

(15)

Я,"1

Имеем уравнение для определения коэффициента концентрации напряжений. Выражение для длины пластической зоны - зоны предельного напряженного состояния, отнесенной к половине мощности пласта, найдем из (10), а именно

_ К _£ К' 2'

(16)

Если в уравнениях (15) и (16) задавать разные величины К, изменяя тем самым свойства угольного пласта, можно получить различные значения Кк и /..

Величина х'0 будет при этом величиной постоянной. Она зависит от свойств пород кровли и глубины разработки. Следует отметить, что при увеличении прочностных свойств пласта, которые в данном случае характеризуются только величиной К*, протяженность пластической зоны уменьшается и, наоборот, с уменьшением прочности и повышением пластичности угля /« увеличивается.

Для всех значений х'0 наблюдается общая закономерность, а именно: с увеличением пластической зоны коэффициент концентрации напряжений уменьшается, причем зависимость Кк от /. хорошо описывается кривой гиперболического типа:

(17)

К.=

¡Г

Здесь О и р - постоянные для каждого значения х . Параметр р почти не меняется с изменением дг^, в то время как параметр О (критерий диспергирования) сильно зависит от х'0 и степени разупрочнения угля. Вообще говоря, эти параметры могут зависеть не только от свойств вмещающих пласт пород и глубины разработки, но и от других горно-геологических и горнотехнических фак-

торов (угла падения пласта, шага посадки основной кровли). Поэтому есть смысл находить их по данным непосредственных наблюдений в шахтных условиях.

Возникновение динамических явлений типа горных ударов и внезапных выбросов угля и газа обуславливается напряженным состоянием угольного массива. Поэтому при оценке влияния предварительного комбинированного разупрочнения на удароопасность и выбросоопасность пластов, естественно, возникает вопрос о характере изменений напряженного состояния угольного массива при применении комбинированного разупрочнения.

Экспериментальные исследования сводились к установлению напряжений в нетронутом горными работами угольного массива и установлении различия в напряженном состоянии массива после его разупрочнения комбинированным способом.

Напряженное состояние массива впереди выработки может характеризоваться деформациями пласта. Усиленное его деформирование свидетельствует, в частности, о высокой интенсивности процессов перераспределения напряжений впереди выработок, в том числе, отодвигания максимальных напряжений вглубь массива.

Экспериментальные исследования проводились по пласту XXVII, лава 370-бис в условиях шахты «Первомайская» ОАО «Компания «Кузбассуголь».

Наблюдения показали, что после разупрочнения угля увеличивается зона существенных деформаций впереди забоя, а сами деформации в пределах этой зоны становятся больше по абсолютной величине в среднем 1,3+1,5 раза (см. рис. 6). Вследствие этого для разупрочненного угля значительно увеличивается также величина деформаций на кромке забоя.

70 60

3 $

£ 50

5 (0

§ 40

о> э

I 30

6

20 10

О 3 6 9 12 15 18 Расстояние до забоя, м

Рис. 6. Сжатие пласта XXVII впереди забоя лавы 370-бис на ш. «Первомайская»

ч

1 \ 1 2 /

/ 1 (V к \

\ъ

\\

О- — -О

3 б 9 12 15 18 Расстояние до забоя, м

Экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о значительном увеличении податливости угольного пласта в результате его предварительного комбинированного разупрочнения.

Для изучения распределения напряжений впереди очистного забоя лавы 370-бис пласта XXVII использовались гидравлические датчики, которые помещались в скважины, расположенные в плоскости пласта на расстоянии более 30 м от очистного забоя. Скважины бурили из подготовительной выработки под углом 45° навстречу очистному забою, длиной 25 м. Гидравлические датчики устанавливались так, чтобы до попадания их в зону влияния очистной выработки давление жидкости в датчиках стабилизировалось. Тогда показания датчика, фиксируемые на диаграммах самопишущих манометров, по мере подвигания очистного забоя давали возможность строить эпюру напряжений впереди забоя.

На рис. 7 приведены замеры напряжений впереди забоя лавы 370-бис пл. XXVII ш. «Первомайская». Как видно из рисунка на разупрочненных участках пласта максимальные значения опорного давления отодвигаются вглубь массива, одновременно уменьшается величина концентрации напряжений. Так если на контрольном участке пласта XXVII расстояние от забоя до максимального значения опорного давления составляло 3,2 м, а коэффициент концентрации напряжений равнялся 2,3, то на участке с разупрочнением диоксидом углерода максимальное значение опорного давления находилось на расстоянии 6-8 м от забоя с коэффициентом концентрации 1,6, а при комбинированном разупрочнении зона максимальных значений опорного давления отодвигалась на расстояние 10-12 м от забоя с снижением коэффициента концентрации до 1,4+1,5.

Для нахождения параметров £> и |3, входящих в установленную теоретическим путем связь коэффициента концентрации напряжений с расстоянием от забоя до максимального значения опорного давления были использованы экспериментальные данные, по которым построен график зависимости коэффициента концентрации напряжений от величины пластической призабойной зоны (рис. 8). Из графика видно, что кривая вида (17) довольно хорошо соответствует экспериментальным точкам. Некоторый разброс вполне объясним разнообразием горно-геологических и горнотехнических условий при замерах.

В результате получены следующие значения параметров, входящих в зависимость (17): £>=2,8 и р=0,33 т.е.

Формула (19) может быть использована для практических целей. Однако по мере накопления экспериментальных данных входящие в нее коэффициенты могут быть уточнены.

Проведенные экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о том, что предварительное разупрочнение угольного массива за счет изменения механических свойств в сторону увеличения пластических и уменьшения

(18).

Или подставляя вместо /« ее значение, имеем

(19)

о

30,0 28,0 26,0 24,0 22,0 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 О

1

2

/

О 4 8 12 16 20 24 28 32 X Растояние до забоя лавы, и

Рис. 7. Замеры напряжений впереди забоя лавы 370-бис пл. XXVII ш. «Первомайская»: 1 - участок без разупрочнения; 2 - участок с разупрочнением С02; 3 - участок с комбинированным разупрочнением

2 4 б в 10 12 14 16 18 1т Рис. 8. Изменение коэффициента концентрации напряжений Кк в зависимости от величины пластической зоны при комбинированном разупрочнении угольного массива

прочностных характеристик, приводит к качественному отличию картины распределения напряжений впереди очистного забоя. В этом случае отодвигается зона повышенных напряжений вглубь массива и уменьшается коэффициент концентрации напряжений в зоне разупрочнения угля в среднем в 2,0+2,5 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся законченной научно-квалифицированной работой, на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные решения по разработке и оптимизации параметров комбинированного разупрочнения угольного массива с целью управления напряженно-деформированным состоянием горного массива.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработан способ и параметры комбинированного разупрочнения угольного массива на основе нагнетания в пласт диоксида углерода под давлением не ниже 2,8 МПа и воды в режиме водонасыщения без достижения гидроразрыва пласта с интенсификацией процесса динамического раскрытия трещин энергией сжатого воздуха высокого давления 40-80 МПа.

2. Комбинированное воздействие на угольный пласт диоксида углерода и высоконапорной воды приводит к снижению крепости угля в 2-4 раза в радиусе 2-3 метров, при интенсификации процесса разупрочнения энергией сжатого воздуха под давлением 40-80 МПа, раскрытие трещин достигает радиуса 7-10 метров.

3. Комбинированное разупрочнение угольного массива, за счет изменения механических свойств в сторону увеличения пластических и уменьшения прочностных характеристик, влечет за собой качественное отличие картины распределения напряжений впереди выработки. В этом случае отодвигается зона повышенных напряжений в глубь массива и уменьшается коэффициент напряжений в зависимости от величины пластической зоны.

4. Установлена зависимость коэффициента концентрации напряжений от параметра, характеризующего степень разупрочнения угольного массива и протяженности пластической зоны. С уменьшением прочностных свойств пласта и с увеличением пластической зоны коэффициент концентрации напряжений уменьшается в среднем в 2,0+2,5 раза.

5. Предварительное комбинированное разупрочнение угля приводит к увеличению зоны существенных деформаций впереди забоя, а сами деформации в пределах этой зоны становятся больше по абсолютной величине в среднем на 30+35%.

6. Для проведения работ по комбинированному разупрочнению угольного массива разработан комплекс оборудования, включающий в себя: установку по доставке и нагнетанию диоксида углерода в пласт, специальное газогидравлическое устройство импульсного воздействия на массив, и передвижной высоконапорный металлокомпозитный пневморессивер и мультипликатор как источник высокого давления воздуха.

7. Реализация основных результатов исследований выразилась в разработке и составлении технических требований и технологических условий на комплекс оборудования для проведения работ по комбинированному разупрочнению угольного массива, а также частично вошли в нормативный документ «Каталог рекомендуемых способов управления состоянием горного массива для угольных шахт России», утвержденный Департаментом угольной промышленности Министерства энергетики России и согласованный с Госгортехнадзором России.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.Б. Артемьев, Ю.В. Горлов, A.B. Джигрин, М.В. Ельский, Ю.А. Семенов. Управление состоянием горного массива с применением физико-химического воздействия диоксида углерода на уголь. - М., ВИНИТИ, 2004. - 34 с.

2. В.Б. Артемьев, Д.И. Адамидзе, В.М. Бугатский, Ю.В. Горлов, A.B. Джигрин, М.В. Ельский. Разработка комплекса оборудования для комбинированного разупрочнения угольного массива. - М., ВИНИТИ, 2005. - 48 с.

3. A.B. Джигрин, Ю.В. Горлов, В.М. Бугатский, М.В. Ельский. Комбинированный способ разупрочнения угольного пласта // Горный информационно-аналитический бюллетень № 4 / МГГУ. - 2005. - С. 76-79.

4. М.В. Ельский. Установка по доставке и нагнетанию диоксида углерода в угольный пласт // Научн. сообщен. ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского. - М., 2005. - Вып. 331. - С. 90-93.

Подписано в печать 26.10.2005. Формат 60x84/16. Объем 1,5 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 7271. Отпечатано в ФГУП «Производственно-издательский комбинат ВИНИТИ», 140010, г Люберцы Московской обл., Октябрьский пр-т, 403. Тел. 554-21-86.

119992

РНБ Русский фонд

2006-4 22784

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Ельский, Максим Валерьевич

Введение.

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований.

1.1. Использование диоксида углерода для управления состоянием углепородного массива.

1.1.1 .Физико-химические свойства диоксида углерода, его распространение в углях и горных породах.

1.1.2.Особенности взаимодействия диоксида углерода с ископаемым углем.

1.1.3. Диоксид углерода в технологических процессах горногеологического цикла.

1.2. Региональное увлажнение угольного пласта как фактор изменения напряженного состояния угольного массива.

1.3. Способ разрушения горного массива энергией сжатого воздуха высокого давления.

Выводы.

Цель и задачи исследований.

2. Разработка комбинированного способа разупрочнения угля для управления напряженно-деформированным состоянием горного массива.

2.1. Диспергирование угля диоксидом углерода как подсистема комбинированного разупрочнения угольного массива.

2.1.1. Особенности механизма разупрочнения ископаемого угля диоксидом углерода.

2.1.2. Закономерности формирования напряженного состояния горного массива вокруг подготовительных выработок при диспергировании угольного пласта диоксидом углерода.

2.1.3. Шахтные испытания технологии диспергирования угольного пласта диоксидом углерода.

2.2. Разработка комбинированного способа разупрочнения угольного массива.

Выводы.

3. Разработка комплекса оборудования для комбинированного разупрочнения угольного массива.

3.1. Разработка газо-гидравлического устройства.

3.1.1. Разработка многосекционного пневмоимпульсного патрона.

3.1.2. Разработка механического герметизатора.

3.2. Разработка высоконапорного пневморесивера.

3.2.1. Технические характеристики передвижного высоконапорного пневморесивера.

3.2.2. Конструкция передвижного высоконапорного пневморесивера.

3.2.3. Расчет прочности и ресурса металло-композитного баллона.

3.2.4. Порядок работы пневморесивера.

3.3. Источник высокого давления (ИВД).

3.4. Установка по доставке и нагнетанию диоксида углерода в угольный пласт.

Выводы.

4. Исследование напряженно-деформированного состояния горного массива при проведении комбинированного разупрочнения угля.

4.1. Аналитические исследования особенностей напряженно-деформированного состояния горного массива при проведении предварительного разупрочнения угольного пласта.

4.2. Шахтные экспериментальные исследования комбинированного разупрочнения угольного массива.

4.2.1. Методика экспериментальных исследований.

4.2.2. Результаты шахтных экспериментальных исследований.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка комбинированного способа разупрочнения угля с целью управления напряженно-деформированным состоянием горного массива"

Актуальность проблемы. Основными направлениями угледобывающей отрасли на современном этапе является более полное использование основных фондов действующих шахт, наиболее важным из которых является повышение устойчивости подготовительных выработок.

Состояние горной выработки в зависимости от ее назначения должно удовлетворять различным требованиям, основным из которых является обеспечение безопасных условий для работающих людей. Для выполнения этого требования горная выработка как подземная конструкция должна быть устойчивой. Указанное требование обеспечивается, как правило, возведением крепи в выработке. Объем крепления в основном определяется величиной нагрузки на крепь, которая зависит от ряда факторов и, в том числе от степени нарушенно-сти вмещающего выработку массива пород. Поэтому, увеличивая тем или иным путем прочность пород вокруг выработки, можно несколько уменьшать ожидаемую нагрузку на крепь или при определенных условиях отказаться от нее.

В связи с постоянным усложнением горных работ от решения вопросов поддержания подготовительных выработок в нормальном эксплуатационном состоянии зависит эффективность работы комплексно-механизированных очистных забоев, безопасность труда шахтеров, так как уменьшение сечения подготовительных выработок ухудшает условия транспортирования и вентиляции в шахтах, что приводит к снижению добычи угля в очистных забоях и резкому снижению безопасности ведения горных работ, особенно на высокогазообиль-ных пластах. При проведении горных выработок изменяется естественное напряженное состояние массива горных пород, что приводит к деформации пород кровли, почвы и боков. Следует отметить, что характер проявления деформаций горных выработок и их интенсивность часто определяют выбор различного рода мероприятий по их снижению и зависят от физико-механических свойств горных пород, глубины разработки, параметров крепи, характера протекания процессов разрушения боковых пород и т. д.

Как известно, ведение очистных работ вызывает значительные смещения контура подготовительных выработок, что приводит к большим затратам на их восстановление. Наибольшие величины конвергенции приходятся на зоны повышенного горного давления (ПГД). Существующие средства и способы крепления и охраны горных выработок в зонах ПГД не дают ожидаемого результата, так как значительные смещения горных пород в выработке происходят также и впереди очистного забоя, где затруднено возведение искусственных ограждений за исключением применения усиливающих средств крепления в выработке. Применение же разгрузочных щелей, скважин и т.д. не всегда дают ожидаемого результата из-за малых полостей разгрузки.

Таким образом, изыскание новых технико-технологических решений в данной области, в частности разработка новых способов активного воздействия на угольный массив с целью снижения интенсивности проявлений горного давления, представляет большой научно-технический интерес. В связи с этим разработка комбинированного способа разупрочнения угля с целью управления напряженно-деформированным состоянием горного массива и как следствие повышения устойчивости выработок на весь планируемый эксплуатационный срок их службы является актуальной проблемой.

Цель работы. Разработка способа повышения устойчивости подготовительных горных выработок и их безопасной эксплуатации в зонах повышенного горного давления.

Основная идея работы заключается в активном управлении напряженно-деформированным состоянием горного массива посредством комбинированного разупрочнения угольного пласта диоксидом углерода и водой с интенсификацией процесса энергией сжатого воздуха высокого давления.

Методы исследований включают в себя анализ и обобщение научно-технической литературы по рассматриваемым вопросам, аналитические и экспериментальные исследования процесса комбинированного разупрочнения угля диоксидом углерода и водой с интенсификацией процесса энергией сжатого воздуха высокого давления в лабораторных и производственных условиях с использованием физико-химических методов и метода моделирования процессов в лабораторных условиях, обработку данных методами математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Способ и параметры комбинированного разупрочнения угольного массива на основе нагнетания под давлением, не ниже 2,8 МПа, в пласт диоксида углерода и воды с интенсификацией процесса динамического раскрытия трещин энергией сжатого воздуха под давлением 40ч-80 МПа, является эффективным способом управления состоянием горного массива.

2. Комбинированное разупрочнение угольного массива (за счет изменения механических свойств в сторону увеличения пластических и уменьшения прочностных характеристик) приводит к изменению напряженно-деформированного состояния горного массива впереди выработки, заключающегося в перемещении зоны повышенных напряжений вглубь массива с уменьшением коэффициента концентрации напряжений в 2,0ч-2,5 раза.

3. Комбинированное воздействие на угольный пласт диоксида углерода и высоконапорной воды приводит к снижению крепости угля в 2 раза в радиусе 2+3 м, при интенсификации процесса разупрочнения угля энергией сжатого воздуха под давлением 40-80 МПа, раскрытие трещин достигает радиуса 7+10 м.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- значительным объемом аналитических, стендовых и экспериментальных шахтных исследований основных подсистем технологии комбинированного разупрочнения угольного массива;

- использованием комплекса апробированных натурных и лабораторных экспериментальных методов;

- статистически обоснованным объемом испытаний и высоким значением критериев достоверности и надежности установленных зависимостей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлен критерий оценки снижения прочности угля после комбинированного воздействия диоксида углерода и высоконапорной воды и его влияние на деформационные характеристики угольного массива. 6

2. Установлена зависимость изменения напряженно-деформированного состояния горного массива от параметров комбинированного способа разупрочнения угля.

3. Теоретически и экспериментально обоснованы параметры комбинированного разупрочнения угольного массива.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей комбинированного разупрочнения угольного пласта и его влияния на изменение напряженно-деформированного состояния горного массива.

Практическое значение работы заключается:

- в обосновании комплекса технических решений, направленных на разработку комбинированного способа разупрочнения угольного массива;

- в разработке и создании комплекса оборудования для проведения работ по предварительному комбинированному разупрочнению угольного массива.

Реализация работы. Основные результаты исследований реализованы при составлении технических требований и технических условий на комплекс оборудования для проведения работ по комбинированному разупрочнению угольного массива, а также вошли в нормативный документ «Каталог рекомендуемых способов управления состоянием горного массива для угольных шахт России», утвержденный Департаментом угольной промышленности Министерства энергетики России и согласованный с Госгортехнадзором России.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах ННЦ ГП ИГД им. A.A. Скочинского (2003-2005 гг.) и ВНИМИ (2005 г.), а также на 3-й Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», 13-15 апреля 2005 г., Воркутинский горный институт филиал СПбГГИ (ТУ), г. Воркута.

Публикации. По теме диссертационной работы автором опубликовано 4 печатных работы.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Ельский, Максим Валерьевич

ВЫВОДЫ

1. Предварительное комбинированное разупрочнение угля приводит к увеличению зоны существенных деформаций впереди забоя, а сами деформации в пределах этой зоны становятся больше по абсолютной величине в среднем на 30-7-35%.

2. Комбинированное разупрочнение угольного массива, за счет изменения механических свойств в сторону увеличения пластических и уменьшения прочностных характеристик, влечет за собой качественное отличие картины распределения напряжений впереди выработки. В этом случае отодвигается зона повышенных напряжений вглубь массива и уменьшается коэффициент концентрации напряжений в зоне.

3. Установлена зависимость коэффициента концентрации напряжений от параметра, характеризующего степень разупрочнения угольного массива и протяженности пластической зоны. С уменьшением прочностных свойств пласта и с увеличением пластической зоны коэффициент концентрации напряжений уменьшается в среднем в 2,0-г2,5 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся законченной научно-квалификационной работой, на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные решения по разработке и оптимизации параметров комбинированного разупрочнения угольного массива с целью управления напряженно-деформированным состоянием горного массива.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработан способ и параметры комбинированного разупрочнения угольного массива на основе нагнетания в пласт диоксида углерода под давлением не ниже 2,8 МПа и воды в режиме водонасыщения без достижения гидроразрыва пласта с интенсификацией процесса динамического раскрытия трещин энергией сжатого воздуха высокого давления 40-80 МПа.

2. Комбинированное воздействие на угольный пласт диоксида углерода и высоконапорной воды приводит к снижению крепости угля в 2 раза в радиусе 2-3 метров, при интенсификации процесса разупрочнения энергией сжатого воздуха под давлением 40-80 МПа, раскрытие трещин достигает радиуса 7-10 метров.

3. Комбинированное разупрочнение угольного массива, за счет изменения механических свойств в сторону увеличения пластических и уменьшения прочностных характеристик, влечет за собой качественное отличие картины распределения напряжений впереди выработки. В этом случае отодвигается зона повышенных напряжений в глубь массива и уменьшается коэффициент напряжений в зависимости от величины пластической зоны.

4. Установлена зависимость коэффициента концентрации напряжений от параметра, характеризующего степень разупрочнения угольного массива и протяженности пластической зоны. С уменьшением прочностных свойств пласта и с увеличением пластической зоны коэффициент концентрации напряжений уменьшается в среднем в 2,0+2,5 раза.

5. Предварительное комбинированное разупрочнение угля приводит к увеличению зоны существенных деформаций впереди забоя, а сами деформации в пределах этой зоны становятся больше по абсолютной величине в среднем на 30+35%.

6. Для проведения работ по комбинированному разупрочнению угольного массива разработан комплекс оборудования, включающий в себя: установку по доставке и нагнетанию диоксида углерода в пласт, специальное газогидравлическое устройство импульсного воздействия на массив, и передвижной высоконапорный металлокомпозитный пневморессивер и мультипликатор как источник высокого давления воздуха.

7. Реализация основных результатов исследований выразилась в разработке и составлении технических требований и технологических условий на комплекс оборудования для проведения работ по комбинированному разупрочнению угольного массива, а также частично вошли в нормативный документ «Каталог рекомендуемых способов управления состоянием горного массива для угольных шахт России», утвержденный Департаментом угольной промышленности Министерства энергетики России и согласованный с Госгортехнадзором России.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Ельский, Максим Валерьевич, Москва

1. Пименова Т.В. Производство и применение сухого льда, жидкого и газообразного диоксида углерода. М., Легкая промышленность. - 1982. - 98 с.

2. Химия. Справочное руководство / Пер. с нем. Л.: Химия. - 1975. - с. 60-61.

3. Кинареевский В.А., Коворова В.В. и др. Способ измельчения твердых пористых материалов A.c. №1243817. Б.И. - 1986. - №26.

4. Лидин Г.Д. К вопросу о прогнозе расхода кислорода и выделения углекислого газа в угольных шахтах. Вопросы борьбы с рудничными газами и пылью. — М.: Изд-во АН СССР. - 1972. - с. 5-20.

5. Карпов Е.Ф., Клебанов Ф.С. и др. Природные опасности в шахтах, способы их контроля и предотвращения / Под ред. Ф.С. Клебанова. — М.: Недра. 1981. -471 с.

6. Астахов A.B., Винокурова Е.Б., Кецлах А.И. Явление конденсации газов в ископаемых углях и ее разупрочняющее действие. Доклады АН СССР. Т.-294. -№3. - 1987. - с. 626-629.

7. Астахов A.B., Бунин A.B. и др. Об особенностях пористой структуры углей в сорбционных процессах. ХТТ. - 1986. - №5. - с. 24-27.

8. Астахов A.B., Хазов С.П., Широчин Д.Л., Экономова Л.Н. Особенности механических и электофизических свойств насыщенности угля. — ФТПРПИ. -1990.-№5.-с. 50-54.

9. Артемьев В.Б., Горлов Ю.В., Джигрин A.B., Ельский М.В., Семенов Ю.А. Управление состоянием горного массива с применением физико-химического воздействия диоксида углерода на уголь. М.: ВИНИТИ. - 2004. - 34 с.

10. Астахов A.B., Кецлах А.И., Широчин Д.Л. и др. О температурных условиях физико-химического разупрочнения угля при конденсации газовых смесей. -Докл. АН СССР. Т.308. - №2. - 1989. - с. 394-397.

11. Джигрин A.B., Семенов Ю.А., Ткаченко Н.Ф., Эдельштейн O.A. Шахтные испытания технологии диспергирования угольного пласта диоксидом углерода. Горное давление, горные удары и сдвижение массива. - Сб. науч. тр. - ВНИ-МИ.-1996.-С. 76-84.

12. Печук И.М., Кульбачный А.Н. Предварительные выводы из опытов по применению гидровзрыва и гидроразмыва для борьбы с выбросами угля и газа. — В кн.: Борьба с внезапными выбросами в угольных шахтах. -М.: Госгортехиздат.- 1962.-с. 426-439.

13. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация с направленным гидравлическим расчленением пластов. -М.: Изд. МГИ. 1967. - 104 с.

14. Ходот В.В. Об эффективности гидравлического расширения опережающих скважин. В; кн.: Проблемы рудничной аэрологии. - М.: изд-во АН СССР. -1963.-с. 20-27.

15. Ходот В.В. Способы безопасного проведения подготовительных выработок на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа. -М.: Госгортехиздат.- 1961.-264 с.

16. Маннер Шандор. Дальнейшее развитие метода вымывания угля. Доклад о работах, произведенных исследовательским отделом Мечекского угольного треста за 1963 г. - Печь - 1963. - с. 122-124.

17. Бобров И.В., Кричевский P.M. Борьбах внезапными выбросами угля и газа. Киев: Техника. 1964. - 328 с.

18. Кричевский P.M., Вельская Н.Р., Кригман Р.Н. и др. О влиянии увлажнения массива на условия развязывания выбросов угля и газа. В. кн.: Вопросы безопасности в угольных шахтах, т. 18. - М.: Недра. - 1968. - с. 211-229.

19. Ксенофонтова А.И., Бурчаков A.C., Журавлев В.П. Нагнетание воды в угольный пласт и расчет гидравлических параметров пластов. М.: Уголь. -1962.-№2.-с. 30-35.

20. Кричевский P.M. Возможность предотвращения внезапных выбросов путем предварительного увлажнения угольного массива. В кн.: Нагнетание воды в угольные пласты. -М.: Недра. - 1965. - с.135-138.

21. Бобров И.В., Шатилов В.А. Гидроотжим призабойной зоны эффективный способ борьбы с выбросами угля и газа. — «Безопасность труда в промышленности». - 1963. - №5. - с. 17-20.

22. Эттингер И.Л. Свойства углей, влияющие на безопасность труда в шахтах. -М.: Госгортехиздат. 1961. - 160 с.

23. Ход от В.В. Международный конгресс по проблеме внезапных выбросов пород, угля и газа. — Уголь. 1967. — №4. — с. 75-77.

24. Матвеев Б.В., Давыдович И.Л., Шайтанов С.М. Проявления опорного давления в массиве впереди очистного забоя и их значение для исследований и борьбы с внезапными выбросами. Уголь. — 1954. — №12. - с. 9-17.

25. Фамин Л.Б. Установка для экспериментального определения напряженного состояния угольного пласта в призабойной зоне. — Технология и экономика угледобычи. 1960. - №4. - с. 17-20.

26. Черняев В.И., Бокий В.Б., Новичихин И.А. Проявление горного давления при разработке свит пологих пластов Донбасса, опасных по внезапным выбросам угля и газа. В кн.: Внезапные выбросы в угольных шахтах. - М.: Недра. — 1970.-с. 344-356.

27. Тетеревенков В.В. Руководство по регламентации порядка отработки пластов на шахтах Центрального района Донбасса, опасных по выбросам угля и газа. Изд. ВНИМИ. - 1965. - 120 с.

28. Карпухин В.Д., Лекарев В.А. О нестационарной фильтрации воды в угольном пласте при его увлажнении с целью предупреждения пылеобразования. В кн.: Вопросы техники безопасности в горной промышленности. - М.: Недра. — 1965.-с. 12-19.

29. Онтин Е.И. К вопросу выбора параметра нагнетания воды в угольный пласт. В кн.: Вопросы безопасности в угольных шахтах, т. 2. - М.: Госгортехиздат. -1962.-с. 177-187.

30. Лихачев Л.Я., Онтин Е.И. Исследование параметров нагнетания воды в угольный пласт и обеспыливающей вентиляции в условиях шахт Кузбасса. — В кн.: Борьба с силикозом, т. 6. М.: Наука. - 1964. - с. 41-49.

31. Адамидзе Д.И. Разрушение углей и пород сжатым воздухом. М.: Наука. — 1978.-94 с.

32. Кусов Н.Ф., Адамидзе Д. И., Александров Н.И., Однопозов 3.A. Руководство по применению сжатого воздуха высокого давления на отбойке угля. — ИГД им. A.A. Скочинского. 1967. - 44'с.

33. Астахов A.B., Кецлах А.И. и др. Электропроводность газонасыщенного угля в различных термодинамических состояниях. — Докл. АН СССР. Т.302. — №6. - 1989.-с. 1402-1404.

34. Астахов A.B., Хазов С.П., Экономова Л.И., Эдельштейн O.A. Влияние на электросопротивление угля цикличности его разупрочнения конденсатом диоксида углерода. ХТТ. - 1992. - №3. - с. 123-125.

35. Астахов A.B., Винокурова Е.В., Кецлах А.И. Влияние фазовых превращений в порах ископаемых углей на формирование выбросоопасных состояний шах-топластов. Уголь. - 1988. - №1. - с. 18.

36. Матонин П.К., Журавлев В.П. Предварительное увлажнение угольных пластов на шахтах Карагандинского бассейна. М.: Недра. - 1967. - 37 с.

37. Астахов A.B., Джигрин A.B., Широчин Д.Л., Эдельштейн O.A. Управление состоянием угля с использованием последствий капилляроподобной конденсации газов. Сб. науч. тр. МГИ. - М.: Недра. - 1992. - Вып. 2. - с. 114-119.

38. Щелкачев В.Н. Основные уравнения движения упругой жидкости в упругой пористой среде. Докл. АН СССР. - 1946. - т. LII. - №2. - с. 10-12.

39. Адамидзе Д.И., Джигрин A.B., Малахов А.Н. Разрушение горных пород сжатым воздухом высокого давления. М.: ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочинского. - 1999. - 360 с.

40. Адамидзе Д.И. К вопросу разработки экологически чистой технологии выемки угля с использованием энергии сжатого воздуха. — Научные сообщения ИГД им. A.A. Скочинского. 1994. - вып. 296. - с. 18-26.

41. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение. - 1985. - 344 с.

42. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (ПБ 10-115-96). М., ПИО ОБТ. - 1996. - 342 с.

43. Серенсен G.B., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. Руководство и справочное пособие. — М.: Машиностроение. - 1973. - 488 с.

44. Андриевская Г.Д. Высокопрочные ориентированные стеклопластики. — М.: Наука. 1996. - 370 с.

45. Бажанов B.J1. и др. Сопротивление стеклопластиков. М.: Машиностроение. - 1968. - 303 с.

46. Артемьев В.Б., Адамидзе Д.И., Бугатский В.М., Горлов Ю.В., Джигрин A.B., Ельский М.В. Разработка комплекса оборудования для комбинированного разупрочнения угольного массива. М., ВИНИТИ. - 2005. - 48 с.

47. Ельский М.В. Установка по доставке и нагнетанию диоксида углерода в угольный пласт. Научн. сообщен. ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочинского. - М. — 2005.-Вып. 331.-с. 90-93.

48. Баренблатт Г.И., Христианович С.А. Об обрушении кровли при горных выработках. Изв. АН СССР, ОТН. - 1955. - №11. с. 73-76.

49. Кузнецов C.B. Об управлении кровли горной выработки с учетом крепи и целиков угля в выработанном пространстве. ПМТФ. - 1964. - №4.

50. Койфман М.И., Ильницкая Е.И., Карпов В.И. Прочность горных пород в объемном напряженном состоянии. М.: Наука. - 1964. - 34 с.

51. Лабасс А. Давление горных пород в угольных шахтах. — В кн.: Вопросы теории горного давления. М., Госгортехиздат. -1961.-е. 18-27.

52. Ержанов Ж.С. Теория ползучести горных пород и ее приложения. — Алма-Ата: Наука. 1964. - 175 с.

53. Черняев В.И., Бойкий В.Б., Новичихин И.А. Проявление горного давления при разработке свит пологих пластов Донбасса, опасных по внезапным выбросам угля и газа. В кн.: Внезапные выбросы в угольных шахтах. - М.: Недра. — 1970.-с. 344-356.

54. Матвеев Б.В., Давидович И.Л., Шайтанов С.М. Проявление опорного давления в массиве впереди очистного забоя и их значение для исследований и борьбы с внезапными выбросами. — Уголь. — 1954. №12. - с. 9-17.

55. Кузнецов Г.Н., Будько М.Н., Филлипова A.A., Шклярский М.Ф. Изучение проявления горного давления на моделях. М.: Углетехиздат. — 1959.

56. Борисов A.A. Механика горных пород и массивов. М.: Недра. - 1980.

57. Воскобоев Ф.Н. Методические указания по выбору и расчету параметров управления горным давлением при разработке крутых угольных пластов Донбасса. Л.: ВНИМИ. - 1981.

58. Ардашев К.А. и др. Методы и приборы для исследования проявлений горного давления. М.: Недра. — 1981.

59. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. М.: Недра. - 1982. - 296 с.

60. Ржевский В.В., Ямщиков B.C. Акустические методы исследования и контроля горных пород в массиве. М.: Наука. - 1973.

61. Турчанинов И.А., Панин В.И. Геофизические методы определения и контроля напряжений в массиве. М.: Наука. - 1976.

62. Крупенников Г.А., Филатов H.A., Амусин Б.З. Распределение напряжений в породных массивах. М.: Недра. - 1972.

63. Чернов О.И., Розанцев Е.С. Подготовка шахтных полей с газовыбросоопас-ными пластами. М.: Недра. - 1975. - 287 с.

64. Техника контроля напряжений и деформаций в горных породах. Л.: Наука.- 1975.

65. Катков Г.А. Изменение нагрузок на крепь горных выработок. — М.: Недра. — 1969.

66. Петухов И.П. Горные удары на угольных шахтах. М.: Недра. - 1972.

67. Гречухин В.В. Геофизические методы исследования угольных скважин. — М.: Недра. 1964.

68. Ивакин Б.Н. и др. Акустический метод исследования скважин. М.: Недра.- 1978.

69. Карпов Ю.М., Матвеев Б.В. Прочность и деформируемость горных пород. — М.: Недра.- 1979.

70. Семенов Ю.А., Ткаченко Н.Ф., Джигрин A.B. Шахтные испытания технологии диспергирования угольного пласта диоксидом углерода. — С.-Пб.: Сб. на-учн. трудов ВНИМИ. Горное давление, горные удары и сдвижение массива. -1996.-с. 76-84.