ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ УВЛАЖНЕНИЕ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ КАК МЕТОД СНИЖЕНИЯ ПЫЛЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТАХ

ABSTRACT

In this article, research in the CIS countries and abroad shows the high efficiency of pre-humidification of coal seams to reduce dust formation and prevent endogenous fires both in mines and quarries. Coal seams are characterized by a complex porous and fractured structure that determines their water permeability. One of the key parameters is the effective porosity coefficient, which affects the volume of absorbed water. The results showed a reduction in dust emission to 64.7% during backhoe loading, to 46.5% during transportation and to 44.4% during overloading. Thus, pre-humidification has proven to be effective as a means of dust suppression in coal pits.

АННОТАЦИЯ

В данной статье исследования, проведённые в странах СНГ и за рубежом, показывают высокую эффективность предварительного увлажнения угольных пластов для снижения пылеобразования и предупреждения эндогенных пожаров как в шахтах, так и на карьерах. Угольные пласты характеризуются сложной пористой и трещиноватой структурой, определяющей их водопроницаемость. Одним из ключевых параметров является коэффициент эффективной пористости, влияющий на объём поглощаемой воды. Результаты показали снижение пылевыделения до 64,7% при экскаваторной погрузке, до 46,5% при транспортировке и до 44,4% при перегрузке. Таким образом, предварительное увлажнение доказало свою эффективность как средство пылеподавления в угольных карьерах.

Keywords: sorption rate constant, air inflow, heat exchange, solar radiation, water injection, effective porosity coefficient, pressure gradient, pre-humidification of surface layers.

Ключевые слова: константа скорости сорбции, приток воздуха, теплообмен, солнечная радиация, нагнетание воды, коэффициент эффективной пористости, напорный градиент, предварительное увлажнение угольных пластов.

Введение

На сегодняшний день в мире активно ведутся исследования, направленные на интенсивное развитие открытой угледобычи, увеличение глубины карьеров, применение мощных средств механизации и интенсификацию производственных процессов, а также на улучшение атмосферных и гигиенических условий в карьерах. В связи с этим особое внимание уделяется вопросам предупреждения самовозгорания углей, обеспечению карьерного поля нормальной атмосферой, изучению влияния пожаров на атмосферные и гигиенические условия в карьере, разработке мероприятий по предупреждению самовозгорания углей и экспериментальным исследованиям нагнетания воды в угольный пласт[1].

Материал и методы

Предварительное увлажнение угля путём нагнетания воды в пласты в условиях шахт является эффективным средством снижения пылеобразования и рекомендуется как мера предупреждения эндогенных пожаров. Угольный пласт представляет собой пористую, трещиноватую среду, характеризующуюся неравномерным распределением пор и трещин и большим разнообразием их размеров и форм. Так как не все поры и трещины в угольном массиве фильтруют воду то одной из основных характеристик пласта, с точки зрения количества подаваемой в него воды, является коэффициент эффективной пористости, показывающий часть объема пустот в пласте, которые могут быть заполнены водой при нагнетании:

,                                                                    (1)

где    m_Э - коэффициент эффективной пористости, %;

m_n - коэффициент общей пористости, %;

m_з- коэффициент пористости, учитывающий пространства замкнутых пор и пространство, занятое физически связанными с углем водой и газами, а так же свободной водой и газом, %.

Практически эффективная пористость определяется через динамическую, связанную с эффективной соотношением

                                                                      (2)

Вторым основным параметром, характеризующим свойства пласта и фильтрующейся жидкости, является коэффициент фильтрации, отражающий способность пласта пропускать через себя жидкость под действием приложенного градиента давления.

Некоторые исследователи указывают на степенной характер закона фильтрации воды в угольном пласте, при этом значение показателя степени может изменяться в зависимости от условий.

Исследования, проведённые МГИ по нагнетанию воды в пласт через длинные скважины в условиях развитой трещиноватости, показали, что фильтрация воды подчиняется линейному закону. При менее развитой трещиноватости возможны некоторые отклонения от линейного характера фильтрации. Профессор Бурчаков А. С. на основе расчёта критерия Рейнольдса (Re) и экспериментальных данных установил, что для угольных пластов в основном характерен линейный закон фильтрации, сопровождающийся неустановившимися упругими и неупругими режимами движения воды под давлением при её нагнетании в пласт. [2] По данным Троянского С.В. движение воды в пористых и трещиноватых породах даже при больших скоростях движения, подчиняется закону Дарси, который выражается как

 ,                                                           (3)

где    V – скорость фильтрации, м/мин;

K – коэффициент фильтрации, м/мин;

напорный градиент,

 ,                                                                   (4)

где: давление воды, м.вод.ст.;

-расстояние, проходимое нагнетаемой водой по пласту за время , м.

Результаты и обсуждение

Исследования, проведённые в условиях подземных работ, показали, что качественная пропитка угольного массива возможна при соответствии темпа нагнетания водопоглощающим свойствам увлажняемого пласта и максимальному давлению воды при нагнетании. В связи с этим применение нагнетания воды в пласты угля в условиях открытых горных работ требует предварительного изучения гидравлических свойств пластов в различных зонах, начиная от обнажённых поверхностей уступов карьера.

Нагнетание воды в угольный массив уступа производилось через вертикальные скважины диаметром d=110-120 мм, глубиной 2-9 м. Расположение скважин, при изучении фильтрационных свойств, представлено на рис.1. Герметизация скважин, схем подводки воды и средства создания напоров показаны на рис.2.

1. Насос Д-1250-125. 2. Водопровод. 3. Герметизатор. 4. Манометр. 5. Водомер. 6. Вентиль. 7. Шланг высокого давления

Рисунок 1. Схема расположения скважин при исследовании (пласт «Мощный») и опытном увлажнении 

Рисунок 2. Схема нагнетания воды через скважины насосной установкой Д-1250-125

Предварительное увлажнение как средство борьбы с пылью проводилось на пласте «Мощный». Нагнетание воды при увлажнении осуществлялось насосом Д-1250-125 и от магистрального водоотливного трубопровода. Состояние работ на уступе при увлажнении показано на рис.2. Контроль за качеством увлажнения осуществлялся  путем бурения скважин и отбора проб на влажность на различной глубине от площадки уступа и на различном расстоянии от скважины.

Рисунок 3. План уступа участка опытного увлажнения пластов. а) увлажнение насосом Д-1250-125, б) увлажнение от водоотливного трубопровода

Отбор проб на запыленность до и после увлажнения осуществлялся приборами АЭР-1и АЭР-А. По полученным результатам определялась среднесменная запыленность по виду выполняемых операций и подсчитывалась эффективность пылеподавления. Аналогично обрабатывались данные по интенсивности пылевыделения до и после увлажнения[3].

Среднесменная пылевая нагрузка определялась по формуле:

                                                                   (5)

где запыленность за время , мг/м³

время отбора а пробы.

Эффективность пылеподавления в зависимости от среднесменной пылевой нагрузки подсчитывалась по формуле:

                                                (6)

где    - эффективность пылеподавления, %;

- среднесменная пылевая нагрузка до и после увлажнения.

Эффективность уменьшения интенсивности пылеобразования после увлажнения определялась по формуле

 ,                                               (7)

эффективность уменьшения интенсивности пылеобразования. %;

- интенсивность источника пылевыделения до и после увлажнения, мг/с.

определялись по методике В.С Никитина.

Заключение

Результат определения среднесменной запыленности в кабине машиниста экскаватора при различных технологических операциях представлены в табл. 4.1, а эффективность пылеподавления при увлажнении в табл.1.

Таблица 1.

Интенсивность пылеобразования и эффективность его снижения при различных технологических операциях

Из данных табл.1. видно, что увлажнение уменьшает интенсивность пылевыделения при экскаваторной погрузке на 64,7 %, при транспортировке на 46,5 % и перегрузке на 44,4 %[4.5.6].

Данные проведённых исследований показывают, что увлажнение является весьма эффективным средством борьбы с пылью на всех технологических этапах карьера.

Список литературы:

1. Ксенофонтова А.И., Бурчаков А.С., Панов Г.Е. Эффективность предварительного увлажнения угольных пластов и путе ее повышения. – М.: 1963. – С.103-106.
2. Чернов О.И. Исследование профилактического увлажнения угольных пластов для повышения безопасности труда в шахтах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. – М. 1970. – С. 51-52.
3. Чернов О.И. Развитие метода комплексной борьбы с угольной пылью, горными ударами, газовыделениями, внезапными выбросами угля и газа и эндогенными пожарами в угольных шахтах // Сборник  «Нагнетание воды в пластах для повышения безопасности горных работ» – М.:Недра, 1965. – С.69-73.
4. Акбаров Т.Г., Исраилов М.А., Махмудов Д.Р. Изучение и предупреждение самовозгораемости углей Ангренского месторождения // Горный информационно-аналитический бюллетень. – Москва, 2021. – №1. – С. 170-177.
5. Оптин Е.И. Исследования по борьбе с пылью методом увлажнения угольных пластов // Тезисы докладов ВостНИИ. – Кемерово, 1963. – С. 46-48.
6. Бурчаков А.С., Панов Г.Е. Много кратное нагнетание воды в пласт. – Уголь, 1963. – №5– С. 102-106.