способ повышения эффективности предварительного увлажнения многолетнемерзлых угольных пластов

Формула изобретения

Способ повышения эффективности предварительного увлажнения многолетнемерзлых угольных пластов, включающий бурение скважин и подачу в них воды, отличающийся тем, что перед нагнетанием воды в угольный пласт в нем проводят избирательное протаивание мелких пор и трещин с сохранением ледяных включений в крупных трещинах.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке угольных месторождений.

Известно, что разработка угольных месторождений сопровождается высокой запыленностью воздушной атмосферы, так как уголь относится к высокопылящим материалам. Выделение угольной пыли происходит при всех производственных процессах добычи и транспортировке угля, увеличивая его потери и антропогенную нагрузку на окружающую природную среду.

Опыт борьбы с пылью показывает, что наибольший результат пылеподавления на всех технологических этапах добычи и переработки угля достигается при предварительном увлажнении пластов в массиве, при котором повышается влажность угля в целике со смачиванием и связыванием угольной пыли, содержащейся в естественных трещинах. При этом должно выполняться обязательное условие, включающее проникание нагнетаемой воды в мелкие трещины и поры угля, что обеспечивает равномерное и полное увлажнение массива. Именно на этом условии основана существующая технология предварительного увлажнения угольных пластов, широко применяющаяся на угледобывающих предприятиях центральных областей страны, в условиях положительных температур горного массива.

Опыт предварительного увлажнения многолетнемерзлых угольных пластов по юбщепринятым технологиям показал безрезультатность способа в условиях отрицательных температур горного массива ввиду водонепроницаемости угля, обусловленной тем, что его поры и секущие трещины заполнены льдом, препятствующим проникновению воды и передаче гидродинамического давления. По этим причинам данный наиболее экономичный и эффективный способ борьбы с пылью на шахтах и разрезах области распространения многолетней мерзлоты не применяется, что осложняет решение вопросов борьбы с угольной пылью в северных районах страны, где сосредоточены основные угольные месторождения, представляющие основную сырьевую базу угледобывающей отрасли России.

Таким образом, для возможности применения предварительного увлажнения с необходимой эффективностью пылеподавления в условиях многолетнемерзлых угольных пластов и снижения потерь угля и запыленности воздушной атмосферы при его добыче и переработке необходимо решить вопрос восстановления естественной водопроницаемости угля, утраченной в процессе формирования многолетнемерзлой толщи горных пород.

Известно, что уровень водопроницаемости угля зависит от трещиноватости пластов. При развитой трещиноватости облегчаются условия нагнетания воды. Поэтому водопроницаемость многолетнемерзлого угольного массива также может быть повышена за счет придания ему открытой трещиноватости, т.е. свободной от ледяных включений.

Известен способ гидроимпульсной обработки угольных пластов, обеспечивающий создание в них разветвленной сети искусственных трещин [1]

Однако создание искусственной, повышенной трещиноватости путем гидрообработки пласта в условиях многолетнемерзлого горного массива не может быть реализовано в связи с его водонепроницаемостью, о чем указывалось выше.

Известен другой способ повышения водопроницаемости многолетнемерзлых угольных пластов путем создания искусственных трещин, основанный на деформации угольного массива вследствие его осадки после дегазации [2]

Данный способ имеет два существенных недостатка, ограничивающих возможность его внедрения: многолетнемерзлый угольный массив содержит незначительное количество метана, поэтому шахты, работающие в зоне мерзлоты, не опасны по газу.

Существует известная концепция, что незначительная газообильность шахт этого региона обусловлена отжатием метана в подмерзлотные горизонты в процессе промерзания массива при формировании многолетнемерзлой толщи пород. Малая газоносность таких пластов не внесет существенных изменений в структурное строение угля после дегазации и, следовательно, не обеспечит осадочных явлений, положенных в основу способа.

Второй недостаток заключается в том, что осадочные явления сопровождаются высокой степенью деформации пластов, неизбежно порождающей крупные трещины, но поры угля при этом остаются затромбированными ледяными включениями, поскольку уголь остается мерзлым. При нагнетании воды в пласт жидкость будет проходить по крупным трещинам, минуя в том числе и мелкие поры угля, что снижает эффективность предварительного увлажнения. Именно это обстоятельство отмечается, когда нагнетаемая вода проникает вглубь многолетнемерзлого массива по кливажным трещинам, не смачивая при этом межкливажные угольные пачки, что сводит к минимуму эффект предварительного увлажнения.

Таким образом, создание или раскрытие крупных трещин в угольном массиве повышает его водопроницаемость, но не способствует смачиванию угля в пределах увлажняемых зон с влагонасыщением пор и мелких трещин, что снижает эффективность обеспыливания забоев, а в ряде случаев приводит к тому, что предварительное увлажнение не дает положительных результатов. Этот недостаток присущ и аналогу [1]

Техническим результатом изобретения является разработка способа повышения эффективности предварительного увлажнения многолетнемерзлых угольных пластов путем раскрытия естественных пор и мелких трещин в угольном массиве непосредственно перед нагнетанием в него воды, с сохранением ледяных включений в крупных трещинах, препятствующих нерациональным потерям воды и способствующих более полному влагонасыщению массива созданием условий принудительного проникновения воды в заранее раскрытые поры и мелкие трещины в процессе подготовки угля к увлажнению. Поставленная цель достигается тем, что непосредственно перед нагнетанием воды в увлажняемые участки угольных пластов в пробуренные для этого скважины или шпуры подается сжатый, горячий воздух, проникающий в мелкие трещины и поры угля, освобождая их сечения от ледяных включений.

Сущность предлагаемого способа заключается в восстановлении фильтрационной способности многолетнемерзлым угольным массивом и его способности к поглощению увлажняющей жидкости проведением непосредственно перед нагнетанием воды избирательного раскрытия мелких трещин и пор протаиванием в них ледяных включений, с сохранением льда в крупных трещинах, запирающих и направляющих подаваемую воду в заранее раскрытые поры и мелкие трещины.

Отличительными признаками предлагаемого способа повышения эффективности предварительного увлажнения многолетнемерзлых угольных пластов является то, что водопроницаемость угля восстанавливается не созданием дополнительных, искусственных трещин с различным зевом, а освобождением от ледяных включений естественных пор и мелких трещин при закрытых крупных трещинах, что способствует созданию условий принудительного направления нагнетательной воды именно в поры и мелкие трещины для полного влагонасыщения увлажняемого угольного массива.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с аналогом [1] и прототипом [2] показывает, что заявляемый способ отличается от известных своей сущностью и отличительными признаками, что дает основание сделать вывод о соответствии предлагаемого способа критерию изобретения "новизна".

На чертеже приводится принципиальная схема подготовки угля к пропитке нагнетаемой водой.

Для обеспечения избирательного протаивания мелких трещин и пор в многолетнемерзлом угольном массиве и восстановления этим способности водопоглощения применена технология, основанная на нагнетании в массиве сжатого горячего воздуха, имеющего низкое влагосодержание вследствие конденсата паров воды в компрессоре. Обезвоженный воздух имеет высокую проникающую способность и, проходя по порам и трещинам угля, отбирает влагу, образующуюся от оттаивания ледяных включений, сушит поры, раскрывая их сечения.

Выше указывалось, что подача сжатого воздуха в увлажняемый угольный массив проводится по технологии, аналогичной нагнетанию воды, что в известной мере обеспечивает унификацию оборудования и снижает общие затраты на предварительное увлажнение угля.

В буровые скважины 1 в мерзлой зоне массива устанавливаются герметизаторы 2, изолирующие скважины от дневной поверхности. После герметизации в скважины подается сжатый воздух от компрессорной установки 3 через соединительные высоконапорные шланги 4.

В зависимости от мощности пласта может быть применен как одноступенчатый, так и многоступенчатый способ нагнетания и воздуха и воды.

Воздухопроницаемость угольного массива, в том числе и многолетнемерзлого, общеизвестна. Нашими исследованиями конкретизировано пороговое значение начала фильтрации воздуха многолетнемерзлым угольным массивом. Это значение не превышает 3-5 кПа. Компрессорные установки, как стационарные, так и передвижные, создают давление порядка 1,0 МПа, т.е. до величин, во много раз превышающих порог воздухоупорности угля, что гарантирует проницание тела угля горячим сжатым воздухом, имеющим температуру на выходе из компрессора в пределах 80-100^oC.

Контроль готовности отработанного угля сжатым воздухом к приему воды определяется его прогревом до температуры плюс 1-2^oC, что устанавливается температурными затратами в контрольных скважинах или шпурах с помощью гирлянд термисторов ММТ-4 или термометрами ТЭТ-2. Данные замеры необходимы при внедрении способа. В дальнейшем после апробации ориентиром подготовленности отрабатываемого участка может быть время сжатого воздуха.

Температура подогрева до плюс 1-2^oC, т.е. вялых температур, обеспечивает избирательную протайку ледяных включений, а именно в порах, в которых они находятся в виде тонких пленок, а также в макро- и микротрещинах, т.е. там, где для оттайки и раскрытия пор достаточно небольшого количества тепла, и которые имеют основную роль в водонасыщении угля. При этом лед в крупных трещинах (трещины с широким зевом) и линзообразные включения льда не оттаивают ввиду необходимости большого запаса тепла и времени. Они разогреваются в процессе нагнетания воды.

Именно эта искусственно создаваемая особенность позволяет производить качественное увлажнение насыщением водой угольного вещества. В противном случае при обычной оттайке массива нагнетаемая вода будет уходить по крупным трещинам, минуя мелкие, что с учетом гидрофобности угля ставит под сомнение целесообразность применения способа. Данная картина наблюдается при нагнетании воды в мерзлые пласты, где вода, подаваемая под высоким давлением, разрушает массив по кливажным трещинам и уходит в пласт, абсолютно не увлажняя межкливажные пачки (т.е. не проникая в поры и трещинки угля). Этим и объясняется безрезультатность нагнетания воды в многолетнемерзлые угольные пласты.

Таким образом, разогрев угля до теплового фона плюс 1-2^oC затормаживает скорость протаивания крупных трещин, т. к. вокруг них благодаря высоким теплоизолирующим свойствам угля создается локальный микроклимат с более низкой температурой, близкой к естественной. Но заданного теплового фона достаточно для раскрытия пор, имеющих тонкие пленки льда. Причем здесь также происходит избирательное протаивание. В первую очередь протаивают и освобождаются от ледяных включений наиболее мелкие поры и трещинки, по которым может фильтроваться воздух, затем поры покрупнее и т.д. Условия проникновения воздуха в мелкие поры создаются подпором (сопротивлением), в крупные - вследствие эжекции оттаявшей влаги, за счет перехода пленок льда в воду. При этом абсолютно необязательна протайка межпоровых угольных перегородок, что в целом снижает общий расход тепла и время подготовки угля.

Как видно из приведенного материала, предлагаемый способ повышения эффективности предварительного увлажнения многолетнемерзлых угольных пластов отличается от общепринятой технологии подготовкой угольного массива к приему и поглощению воды.

Способ может быть реализован как на открытых, так и на подземных работах при скважинных и мелкошпуровых технологиях предварительного увлажнения, широко апробированных в отечественной практике в условиях положительных температур горного массива.