УДК 622.277:622.382.5

А. Н. ЗОРИН, д-р техн. наук, А. Т. ДИДЕНКО, инж.

(ИГТМ АН УССР)

М. В. ВИНОКУРОВ, инж.

(Шахта им. Ворошилова)

Наряду с задачами увеличения добычи угля горной науке предстоит решить проблемы сокращения затрат и снижения потерь угля в недрах, создания более эффективных технологий и повышения безопасности работ, что невозможно без освоения принципиально новых, отличающихся от традиционных, способов разработки угольных месторождений. Один из нетрадиционных способов добычи угля разработан в ИГТМ АН УССР *. Сущность его заключается в переводе угля в подвижное состояние и добыче путем гидроимпульсного воздействия на массив через загерметизированные скважины, пробуренные с земной поверхности или из ранее пройденных полевых выработок. Вода нагнетается в пласт через скважины попеременно, с последующими резкими сбросами давления при достижении определенного его значения.

Результаты исследований показывают, что на данном этапе целесообразно рассматривать добычу угля гидроимпульсным воздействием на массив через скважины, пробуренные из ранее пройденных полевых выработок. Для промышленной проверки способа был оборудован участок в восточном полевом штреке (гор. 940 м) на шахте им. Ворошилова объединения Дзержикскуголь. Штрек пройден на расстоянии 22—25 м от пласта т3 Толстый (рис. 1), залегающего под углом 50—52°. Марка угля Ж, зольность Лс=20.6%, выход летучих Fr=33,7%, содержание влаги WA — 3,9%, плотность -у=1,32 г/см3, к самовозгоранию не склонен, газоносность 19 м3/т. Пласт сложного строения, средняя мощность 1,45 м; опасен по взрываемости угольной пыли и внезапным выбросам. Кровля — сланец глинистый, слоистый (связь слоев слабая), трещиноватый, средней крепости и устойчивости (мощность 12 м); почва — cланец песчано-глинистый, слабослюдистый, у пласта комковатый, средней крепости, склонен к пучению (4,5 м); ниже залегает известняк (2,3 м). Опытные работы по гидроимпульсному воздействию на угольный массив проводились через первую (справа) скважину, пробуренную перпендикулярно линии падения пласта. После бурения до контакта с пластом скважина закреплялась колой; обсадных труб диаметром 114 мм с последуют цементацией затрубного пространства. Пласт вскрывался спустя 5 суток скважиной диаметром 70 мм, перебуривался через трубы на всю мощность, окончании бурения скважины закрывались высоконапорными механическими задвижками. Вода нагнеталась двумя насосными установками типа 2УГН, смонтированными на тележках вместе с пневмодвигателями 8ШК-40м.

Быстрое открытие гидрозадвижки при стабилизации давления нагнетаемой воды и закрытие ее при понижении давления после сброса до определенной величины производились в автоматическом режиме гидросистемой управления, работающей с помощью вспомогательного насоса типа НВУ-30. Для аккумуляции добычи угля участок восточного полевого штрека разделен перемычкой (на 50% его площади сечения).

Опыты по гидроимпульсному воздействию на пласт проводились в следующей последовательности: при подаче воды закрывалась гидрозадвижка, уравнивалось давление в нагнетательной магистрали с пластовым давлением газа в скважине, открывалась механическая задвижка на скважине, нагнеталась во в пласт, при стабилизации давления нагнетаемой воды (рост прекращался при 19 МПа) автомат чески открывалась гидрозадвижка, после резко, сброса давления автоматически закрывалась гидр задвижка и вода нагнеталась в пласт до стабилизации давления; затем цикл повторялся. При нагнетании воды в пласт объемное напряженное состояние угля, созданное воздействием напряженного пласта и внутреннего давления газа, усиливается в связи с возникновением внутреннего давления воды при высоконапорном нагнетании. Дл интенсификации процесса разрушения вода нагнетается до критического значения, которое в 2 раза выше внутрипластового давления газа. При резком сбросе давления воды в устье скважины возникает волна разгрузки, движущаяся к за бою скважины со скоростью, превышающей скорость изменения напряжений при внезапных выбросах угля и газа. Известно, что при высокой скорости обнажения в массиве распространяется волна возмущений, напряжения в которой способствуют развитию параллельных обнаженной поверхности трещин обеспечивая наиболее благоприятные условия для реализации запасов энергии сжатого газа. Установлено также, что при быстром обнажении поверхности в зоне пласта, где не выполняются силовые условия равновесия, запасы энергии газа и упругих деформаций реализуются в разрушении (послойном отрыве и дроблении), переходящем в самоподдерживающийся процесс.

В прискважинной зоне пласт разрушается и скоростным напором воды и газа уголь выносится через скважину в виде пульпы. После каждого последующего такого динамического процесса прискважинная зона увеличивается. В результате попеременного нагнетания 78,5 м3 воды и резких сбросов давления через скважину добыто 60 т угольной мелочи крупностью 1—2 мм и менее (за 16 ч при производительности двух насосов 5 м3/ч). Консистенция пульпы по массе Т:Ж=1:1. Энергозатраты на разрушение и добычу угля через скважину при гидроимпульсном воздействии на пласт в 5—15 раз меньше, чем при гидродобыче мониторами.

Процесс разрушения угля при гидроимпульсиом воздействии на пласт через скважины может быть управ-ляемым и контролируемым путем изменения параметров технологических процессов перевода угольного массива в подвижное (плывунное) состояние. Проведенные опыты подтверждают возможность добычи угля через скважины путем гидроимпульсного воздействия на угольный пласт. При этом потери угля в зависимости от горногеологических условий составят 15—20%.

Для Донбасса укрупненные расчеты показывают, что при глубине 500 м, мощности пласта 0,75 м, газоносности 15 м3/т, объеме нагнетаемой воды 300 м3/ч, диаметре скважин 250 мм и радиусе их эффективного действия 50 м себестоимость 1 т условного топлива будет в 2—3 раза ниже достигнутого уровня.

Проведение промышленных испытаний геотехнологического способа намечается в Донбассе после окончания экспериментальных работ. Для увеличения добычи предусматривается выемка пластов нерабочей мощности, а также особо опасных по внезапным выбросам с использованием насосных установок, обеспечивающих высокие темпы нагнетания.

«Уголь Украины», апрель, 1984