Физико-механические основы создания нетрадиционных технологий добычи угля

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 622. 271.3 А.В. Чернышов
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ НЕТРАДИЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДОБЫЧИ УГЛЯ
Рассматриваются главная задача при создании нетрадиционных способов добычи угля подземным способом с использованием ПАВ и воздействием колебаний различной частоты для изменения состояния «газ-уголь».
Ключевые слова: ПАВ, система «газ-уголь», вибрационное воздействие, импульсное воздействие".
Общеизвестно, что уголь и породы, залегающие в массиве, находятся под действием трёх основных сил, определяющих запас его потенциальной энергии. Это давление вышележащих слоёв, давление газа, содержащегося в породах и вес рассматриваемого объема угольного пласта или породы.
Основными факторами, которые необходимо учитывать при определении нетрадиционных способов использующих природные силы, являются:
• вид напряженного состояния, в котором находится рассматриваемая часть горного массива- степень газонасыщения- интенсивность газовыделения- степень сцепления и трения рассматриваемого объема горного массива с вмещающими породами.
Очевидно, что главная задача при создании нетрадиционных способов добычи в подземных условиях — найти условия и разработать методы высвобождения потенциальной энергии массива и превращения её в работу по разрушению и перемещению угля и породы.
Первую часть процесса разрушения угля и породы может выполнить сила горного давления в призабойной части, вызывая образование зоны нарушенного перемятого массива. Вторая часть процесса (перемещение) происходит под действием газового давления и силы тяжести.
Выполнение этих двух частей можно облегчить воздействием ПАВ на горный массив, а также действием колебаний различной частоты для изменения состояния системы «газ-уголь» [1, 2, 3]. Эти изменения заключаются в возникновении сорбционно-деформационных процессов в поровом объеме, что приводит к росту давления в них, развитию системы новых трещин и увеличению газовыделе-ния. При циклическом воздействии в системе «газ-уголь» возможны резонансные колебания газа в поровом объеме со значительным ростом давления газа [2].
Использование вибрационно-
импульсных источников воздействия на систему «газ-уголь» — один из способов выведения её из состояния равновесия, инициирования обрушения угля со свободной поверхности. Это, в общем, согласуются с существующими представлениями на природу выбросов угля и газа [4].
Выведение системы «уголь-газ» в массиве из состояния равновесия может быть осуществлено различными способами:
1. Быстрое (мгновенное) разрушение краевой части угольного пласта и обнажение его свободной поверхности.
2. Сброс давления газа из начальной полости после предварительной закачки через нее в пласт газа и создание в нем
давления, превышающего прочность угля на растяжение (сдвиг).
3. Сброс давления активной жидкости, снижающей прочность угля вкруг начальной полости (скважины), после предварительной закачки её при давлении большем, чем давление газа в пласте.
4. Воздействие импульсной нагрузкой, мощной вибрацией на угольный пласт для усиления развития трещинообразования и вибросмещения пласта при снижении коэффициента трения по кровле о почве.
5. Другие физические, физико-химические и микробиологические воздействия.
Каждый из перечисленных способов может быть применен только в конкретных условиях залегания угольного пласта и при помощи соответствующих средств воздействия.
Одним из видов воздействия, который может вызвать нарушение равновесного состояния горного массива в призабойной зоне, является воздействие растворами, понижающими прочность угля и вмещающих пород.
Фундаментальные положения физикохимической механики позволяют установить взаимосвязь между физикомеханическими процессами на границе раздела фаз и механическими свойствами твердых тел [5], к которым относятся горные породы как дисперсные системы с ярко выраженными межфазовыми границами и сильно развитой внутренней поверхностью раздела между фазами. Высокая внутренняя поверхность раздела между фазами обусловлена высокой пористостью горных пород, существованием капиллярной сети пор и макротрещин, различных дефектов структуры. Так, пористость горных пород месторождений Кузбасса колеблется от 0,4 до 24% [6]. Развитая межфазовая поверхность придает породам и углям избыток свободной энергии, повышенную химическую актив-
ность, высокую адсорбционную способность, влагоёмкость и др.
Рост пористости пород сопровождается увеличением содержания в них влаги. Естественная влажность, как и другие физические свойства породы, в значительной степени зависит от типа цемента и размеров зерен. Влажность песчаников и алевролитов на глинистом и глинистоизвестковом цементе на 2030 % больше, чем на кремнистом и кремнистоизвестковом. Для крепких пород влагоём-кость не превышает 5%, а для слабых трещиноватых песчаников, и особенно алевролитов и аргиллитов — 78 % [7]. Влагоёмкость глинистых пород может достигать 12%. Для углистых алевролитов и аргиллитов внутреннее поровое пространство может быть почти полностью заполнено водой, у песчаников и алевролитов — только около половины. Кроме того, процесс водопоглощения зависит от интенсивности взаимодействия пород с растворами.
Интенсивность взаимодействия горных пород со средой значительно изменяется при использовании в качестве жидкой среды растворов поверхностноактивных веществ (ПАВ).
ПАВ — вещества, молекула которых состоит из гидрофильной и гидрофобной частей, способных адсорбироваться на различных поверхностях твердого тела и понижать вследствие этого их поверхностную энергию (поверхностное натяжение). Сырьем для синтеза ПАВ являются парафиновые углеводы нефти. Наиболее часто используются неионогенные ПАВ (НПАВ). Применяются и катионоактивные ПАВ (КПАВ). ПАВ — и вообще адсорбционные среды имеют большую область применения. В промышленности при обработке металлов применяют эмульсии на основе ПАВ, что многократно снижает энергозатраты на резание, улучшает качество обрабатываемой поверхности [8]. При бурении нефтяных
скважин, глубина которых превышает несколько километров, применяют растворы ПАВ, что позволяет в четыре раза сократить износ инструмента и повысить скорость бурения [9]. При добыче руд, для повышения эффективности бурения, а также при пылеподавлении используют растворы ПАВ. При добыче угля подземным способом для уменьшения пылеобра-зования и частичного сокращения энергозатрат по процессам отработки забоя используют растворы поверхностноактивных веществ (ПАВ) [10, 11].
Вода «впитывается» в угли и породы почти с постоянной скоростью [7]. При добавлении к воде поверхностноактивных веществ, снижающих поверхностное натяжение, скорость впитывания увеличивается в несколько раз, однако через некоторое время она замедляется за счет адсорбции ПАВ на твердом теле и снова достигает скорости «впитывания» воды. Особенно сильно набухают породы на глинистом цементе. Если алевролиты и аргиллиты на глинистом цементе при увлажнении набухают в направлении поперек слоистости на 0,91, 2%, то песчаник на карбонатном цементе практически не набухает [7]. Набухание поперек слоистости в 1,21, 5 раза больше, чем вдоль слоистости, т. е. коэффициент анизотропии пород равен 1,21, 5. Добавление ПАВ приводит к более быстрому набуханию породы [7].
При взаимодействии твердого тела с жидкой средой происходят необратимые поверхностные процессы, приводящие растрескиванию, диспергированию горных пород, образованию новых поверхностей при разрушении, формированию зародышевых фаз, срастанию, перекриста-лизации минералов и др., т. е. к изменению основных свойств, контролирующим параметром которых служит свободная поверхностная энергия.
Использование малых количеств солей и ПАВ дает возможность облегчить раз-
рушение и деформацию твердых тел всех типов: на границе с соответствующей средой имеет место понижение поверхностной энергии, которое способно вызвать существенное изменение механических и структурных свойств твердого тела. Степень влияния водных растворов ПАВ на процесс разрушения зависит от типа, концентрации и времени взаимодействия. После выдержки в течение одних суток относительное изменение поверхностной энергии для концентрации ПАВ до 1% не превышает 2, а при выдержке 4 суток достигает 3^-4 [13]. Выбор вида ПАВ и солей для управления свойствами пород и углей зависит от состава породы и углей, химической природы цемента данной породы, ее пористости и других свойств.
В поликристаллических телах (породах и углях), где границы зерен разделяют фазы, различающиеся ориентировкой и химическим составом, наблюдается количественная связь между величиной адсорбции и прочностью межфазовой границы (в соответствии со схемой хрупкого разрушения Гриффитса). Чем больше адсорбируется вещества, тем больше снижается прочность. Прямопропорцинальная зависимость между квадратом изменения прочности и адсорбцией указывает на адсорбционный характер снижения прочности данных пород в рамках схемы Гриффитса при действии адсорбционноактивных растворов [14,15]. При значительных концентрациях ПАВ и длительном времени взаимодействия их на уголь модуль упругости значительно уменьшается [16], и процесс деформирования приобретает пластический характер. Поэтому, внесение в породноугольный массив фиксированного количества определенных электролитов и ПАВ позволяет управлять прочностными и упруго-пластичными свойствами пород в массиве. При воздействии жидкой среды на горные породы появляется возможность проявления ад-
сорбционного разупрочнения, связанная с релаксационными процессами в самом деформируемом твердом теле. Возможно многократное снижение предела прочности и, в меньшей степени, предела текучести тонкого обработанного слоя [17], а при больших скоростях нагружения и деформирования — понижение прочности материала и относительно высокая скорость роста магистральных трещин. При медленных нагружениях более заметно проявляется пластифицирующее действие
— снижение предела текучести. При определенных условиях различные формы релаксационных явлений накладываясь друг на друга дают сложную картину механического поведения массива. При резании в явном виде фиксируется разрушающее действие среды. При этом сама среда может выступать в качестве смазывающего агента и, образуя в зоне обработки тонкий слой разупрочнённого материала, также снижающего трение разрушающего инструмента по материалу. Поэтому, активным началом служат не только исходные компоненты среды, но и продукты механической деструкции материала. В любом случае коэффициент трения при действии среды уменьшается.
Разупрочнение горной породы при ее последующем разрушении приводит к весьма значительному уменьшению абразивности разрушаемой породы [18]. Наличие активной среды в трещинах и порах горных пород обусловливает проявление структурного (стерического) эффекта тонких слоев жидкости на стенках трещин в зоне разрушения: при различных смещениях локально меняется нагрузка, стенки образующихся трещин не схло-пываются благодаря расклинивающему давлению тонких слоев проникшей в трещину жидкости [19], что значительно снижает прочность горного массива при
его пропитке разупрочняющими растворами.
Напряженное состояние массива также оказывает влияние на разупрочнение пород и угля под действием адсорбционной среды [14]. В условиях простого одноосного сжатия, когда процесс пропитки совпадает по времени с увеличением нагрузки, модуль упругости практически не изменяется, а прочность на одноосное сжатие уменьшается более чем в 2,5 раза. Если адсорбционные растворы взаимодействуют с углем или породой при минимальных нагрузках, предотвращающих лишь возможность деформирования при набухании, то прочность при последующем нагружении уменьшается и модуль упругости уменьшается в 34 раза, и процесс деформирования приобретает пластический характер [16].
Особого внимания заслуживает поведение углей и горных пород в сложном напряженном состоянии при действии растворов ПАВ [14]. Для всех видов напряженного состояния количество влаги принятой углем, увеличивается с ростом энергии деформирования. Особенно сильно влагопоглощение растет при обобщенном растяжении и сдвиге. Влагопоглоще-ние при действии воды практически не зависит от энергии деформирования [16].
Горные породы и уголь в условиях сложного деформированного состояния остаются дефектными структурами, и их поведение в объёмном поле сжимающих напряжений можно описать с позиции теории трещин [12]. Повышение напряжений приводит к росту и возникновению новых трещин.
Наибольшая концентрация трещин наблюдается в условиях обобщенного растяжения, так как постепенное зарождение и развитие «равновесных» трещин на основе локальной концентрации деформаций и напряжений контролируется протеканием пластических деформаций и дей-
ствием сдвиговых напряжений. Таким образом, при воздействии разупрочняющего раствора процессы увеличения влажности и образования микроразрушений начинают развиваться одновременно, но на начальной стадии преобладает процесс увеличения влажности за счет заполнения объема пор, а на конечной — процесс образования микроразрушений [14].
Эти закономерности изменения деформационных и прочностных свойств угля и пород показывают, что при пропитывании в течение длительного времени с постоянными нагрузками (меньшими предела прочности), вследствие равномерности заполнения сорбционного объема, их последующее деформирование и разрушение при увеличении нагрузок протекают как у упруго-пластического тела. При этом градиент внутренних напряжений значительно уменьшается, и уголь или порода ведут себя как изотропное тело, несмотря на то, что в сухом состоянии наблюдаются значительные отличия в упругих свойствах вдоль напластования и перпендикулярно к нему.
Решающим в эффекте разупрочнения
— состав и концентрация раствора. Они зависят от вида и литологического состава породы, её пористости, химических свойств цемента и другого. Адсорбционные свойства пород также влияют на выбор концентрации раствора и поэтому для угля, как правило, требуется в 25 раз больше ПАВ, чем для породы. Однако конкретный состав разупрочняю-щего раствора и его концентрацию устанавливают на основе предваритель-
1. Исследовать геологические условия, приемлемые для нетрадиционной добычи угля, способы увеличения проницаемости угольных пластов, физико-химические, в том числе газификации, методы перевода угля в подвижное состояние и разработать ТЭО их применения.
ных лабораторных исследований. При этом изучаются не только прочностные характеристики, но и деформационные. С увеличением концентрации разупроч-няющего раствора разрушение принимает все более пластический характер. Такое изменение упруго-пластичных свойств материала оказывает влияние на энергетику последующего разрушения разупрочнённого материала рабочим органом выемочной машины. Анализ теоретических основ разрушения горных пород [20] показывает, что при увеличении коэффициента Пуассона увеличивается эффективность разрушения горных пород. Так, при увеличении коэффициента Пуассона на 20% (от 0,25 до 0,3) эффективность работы ядра уплотнения под инструментом возрастает почти в два раза.
При такой обработке горной породы происходит изменение упругих и прочностных свойств горных пород, при этом может происходить как увеличение, так и уменьшение коэффициента Пуассона. Увеличение коэффициента Пуассона улучшает параметры механического разрушения. Уменьшение — ухудшает и может свести к нулю эффект от снижения прочности при обработке горного массива разупрочняющими растворами. Поэтому удобно характеризовать эффект действия ПАВ на породы как способность горной породы к разрушению «сколом» — F. При F& lt-1 эффективность разрушения обработанного массивы механическим способом повышается, при F& gt-1 — уменьшается.
------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Отчет / ИГД АН УССР, РН.Ц. 001, № гос. регистрации 810 086 394, Днепропетровск, 1985. — 1238 с.
2. Разработка технического задания по проектированию экспериментального участка для добычи угля с использованием природных
сил. Отчет / ИГД им. А. А. Скочинского, 1 119 001 101- 1981. — 21с.
3. Снижение выбросоопасности при динамическом воздействии на угольный массив. — М., Наука, 1985. — 184 с.
4. Петросян А. Э., Иванов Б. М. Причины возникновения внезапных выбросов угля и газа. — В кн. «Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа». — М., Недра, 1978.
— С. 3−61.
5. Ребиндер П. А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика. — М., Наука, 1979. — 384 с.
6. Штумпф Г. Г. Водно-физические свойства углевмещающих горных пород. — Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых, 1993. — № 6. — С. 54−56.
7. Штейнцайг Р. М., Воронков Г. Я. Нетрадиционные, экологически чистые способы управления состоянием горного массива и разупрочнения пород: Обзор / ЦНИЭИуголь. — М., 1995.
8. Лихтман В. И., Щукин Е. Д., Ребиндер П. А. Физико-химическая механика металлов.
— Изд. АН СССР, 1962. — С. 303.
9. Бабаян Г. А. и др. Применение ПАВ с целью увеличения нефтеотдачи. — М., Недра, 1970. — С. 172.
10. Карагодин Л. Н., Ищук И. Г. Современное состояние борьбы с пылью на угольных шахтах. — Уголь, 1977.- № 9.
11. Алексеев А. Д. и др. В сб. «Внезапные выбросы на больших глубинах». — Киев, 1979.
— С. 45−52.
12. Алексеев А. Д. Эффективная поверхностная энергия горных пород и поверхностноактивные среды. Респ. межведомств. сб. «Физико-химическая механика и лиофильность
дисперсных систем». — Киев, 1981. — Вып. 13.
— С. 65−71.
13. Воронков Г. Я., Марцинкевич Г. И. Роль электроповерхностных и адсорбционных свойств угля и проявления эффекта Ребиндера. Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых (ФТПРПИ). — Новосибирск, 1990. — N1. — С. 109−112.
14. Воронков Г. Я., Марцинкевич Г. И. Изменение деформационных и прочностных свойств угля при взаимодействии с поверхностно-активными растворами. — (ФТПРПИ), 1986. — N5. — С. 84−85.
15. Воронков Г. Я., Марцинкевич Г. И. Методологические основы выбора эффективных составов растворов для разупрочнения пород и углей. Известия ИГД им. А. А. Скочинского. — М., 1991.
— С. 139−142.
16. Штейнцайг Р. М., Воронков Г. Я. Нетрадиционные, экологически чистые способы управления состоянием горного массива и разупрочнения пород: Обзор / ЦНИЭИуголь. — М., 1995.
17. Лихтман В. И., Щукин Е. Д., Ребиндер П. А. Физико-химическая механика металлов. — Изд. АН СССР, 1962. — С. 303.
18. Книссель В., Хайдлер Ф. Нетрадиционные способы бурения. Доклад на 3-м коллоквиуме по буровзрывным работам. -
Клаусталь (Германия), 15. 01. 82, ВЦП № Л-24 095, Л-24 096 («Ве^Ьаи», 1982. — № 9. — С. 486−488).
19. Дерягин В. В., Чураев Н. В. и их роль в дисперсных системах. — «Всесоюзное химическое общество», 1989. — Т. 34. — № 2. — С. 7−14.
20. Протасов Ю. И. «Теоретические основы механического разрушения горных пород» — М., Недра, 1985. — С. 143. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ ---------------------------------
Чернышов Андрей Васильевич — доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu. ru

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой