Предварительное увлажнение угольного массива
Предварительное увлажнение угольного массива является одним из эффективных методов предупреждения пылеобразования при выемке угля. При нагнетании под давлением жидкости в пласт:
увеличивается влажность угля, что способствует росту адгезионно-когезионных сил между поверхностями образующихся при разрушении угля пылевидных частиц и образованию из них крупных агрегатов, более эффективно осаждающихся из воздуха;
уменьшается механическая прочность угля с соответствующим снижением удельной энергоемкости разрушения угольного массива;
растет степень смачиваемости тонкодисперсной пыли «скольжения» в трещинах угольного пласта.
Уменьшение пылеобразования при выемке увлажненного угольного массива зависит от степени насыщения пласта влагой. Способность угольных пластов к увлажнению определяется их структурными особенностями и физико-механическими свойствами. Угольные пласты с хорошо развитой трещиноватостью и высокой пористостью способны принять большее количество воды, чем пласты с плотным углем. Влажность угля в зависимости от количества жидкости, введенной в массив, увеличивается на 1,5—6 %.
|
|
Наибольший эффект по снижению пылеобразования при выемке (60— 80%) достигается при профилактической обработке пластов с природной влажностью угля 2—6%, а наименьший (менее 50%) —с влажностью более 8%.
При этом эффективность предварительного увлажнения пластов определяется не общим содержанием влаги в угле, а приростом ее при увлажнении массива. Существенное уменьшение степени пылеобразования происходит при приросте влаги 1—3%, прекращаясь при приросте 4—5%.
Прирост влаги зависит от фильтрационно-коллекторских свойств пласта и условий водопоглощения (давления, темпа и продолжительности нагнетания воды в пласт).
К основным фильтрационно-коллекторским свойствам угольных пластов и пород относятся проницаемость, пористость, фильтрационная анизотропия (зависимость проницаемости от направления фильтрации) и ряд других характеристик, являющихся следствием перечисленных.
Фильтрационные свойства угольных пластов и пород характеризуются
коэффициентом проницаемости k (м2), коэффициентом фильтрации
kф(м/с), коэффициентом пористости п.
Коэффициент проницаемости определяется структурой и свойствами пласта и почти не зависит от свойств фильтрующейся жидкости.
Коэффициент фильтрации зависит как от свойств угольных пластов, так и свойств фильтрующейся жидкости.
Гидродинамические параметры угольных пластов зависят от многих факторов и изменяются в широких пределах. Наибольший коэффициент водопроницаемости имеют угли, характеризующиеся выходом летучих 15—35% и залегающие на глубине 200—300 м от поверхности. Наименьшая водопроницаемость свойственна углям высокой стадии метаморфизма (антрациты, полуантрациты) и малометаморфизованным углям марок Д и Г. Это обусловлено структурными особенностями угольного вещества.
|
|
Коэффициент водопроницаемости всех угольных пластов резко уменьшается с увеличением глубины разработки, изменяясь, например, для условий Донбасса от 0,000045 до 25,3 мД. Это связано в основном с уменьшением раскрытия систем трещин, имеющих наибольшее развитие у углей средней стадии метаморфизма (марки Т, ОС, К, Ж) с выходом летучих 15—30%.
Гидравлические параметры предварительного увлажнения угольных пластов можно определить только при наличии данных по гидродинамическим характеристикам пластов (коэффициенты фильтрации и эффективной пористости).
Любая горная порода, в том числе и уголь, представляет собой трещинно-пористый коллектор. Проницаемость подавляющего большинства таких коллекторов определяется трещинной проницаемостью, которая в 100—1000 раз больше поровой. Это позволяет для пластов с выраженной трещиноватостью при определении коэффициента проницаемости пренебрегать поровой проницаемостью, принимая трещинную проницаемость за общую.
Трещиноватость имеет региональный характер, что дает возможность рассматривать трещиноватые пласты как некоторую непрерывную среду, характеризующуюся особым классом фильтрационных каналов — трещинами. При этом большинство трещин в пласте имеет единую тектоническую природу. Они распределены не хаотично, а объединяются в определенные системы, каждая из которых характеризуется сохраняющимися в рамках данной системы параметрами трещиноватости (раскрытие, густота, элементы ориентировки и др.). Для подавляющего числа угольных пластов фильтрационные характеристики определяют при практически взаимоперпендикулярных системах эндогенной трещиноватости: основной (продольной), торцовой и послойной.
В связи с этим важное значение имеют параметры трещиноватости (раскрытость и пустота трещин) углей, которые являются необходимой основой для расчета гидродинамических характеристик пласта.
Для улучшения смачиваемости при предварительном увлажнении угольного массива могут быть применены растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ) и поверхностно-активные жидкости. Молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности угольных частиц и тем самым снижают поверхностное натяжение и повышают смачивающую способность воды. Краевой угол смачиваемости угля и поверхностное натяжение уменьшаются с повышением концентрации ПАВ, причем особенно интенсивно в области малых концентраций. При приближении концентрации раствора к критической концентрации мицеллообразования уменьшение значений указанных показателей практически прекращается.
В зависимости от характера протекания адсорбции и механизма стабилизации дисперсных систем ПАВ разделяются на два класса:
низкомолекулярные соединения дифильного строения. Характерной особенностью этих веществ является то, что молекулы их образованы из двух разных по свойствам частей. Одна часть состоит из углеводородных радикалов, другая — из радикалов, родственных по своей природе молекулам растворителя;
высокомолекулярные вещества, в которых чередуются гидрофильные и гидрофобные группы, равномерно распределенные по всей длине полимерной цепи.
По химическим свойствам ПАВ разделяются на две группы:
ионогенные (анионактивные и катионактивные);
неионогенные.
Анионактивные вещества в растворах находятся в виде ионов, а катионактивные — в виде катионов. Анионактивные вещества имеют существенные для смачивателей угольной пыли недостатки: неустойчивость их растворов в жесткой воде и высокая пенообразующая способность.
|
|
Наибольшее применение для увлажнения угольного массива получили неионогенные поверхностно-активные вещества, которые в растворе существуют в виде молекул. Типичный их представитель — смачиватель ДБ. Значительный интерес представляют такие неионогенные вещества как синтанол и неонол, полученные на основе первичных и вторичных спиртов с различной степенью оксиэтилирования. Они обладают высокой степенью биоразлагаемости, антиокислительным действием и не придают заряд поверхности угольных частиц. При небольшой их концентрации процесс проникновения жидкости в пласт ускоряется в 1,5 раза.
Для обработки пластов ВНИИПАВ разработаны смачиватели синтанол ДТ-7, неонол B-I020 и СТС. Они представляют собой пасты или гранулы, раство'ряющиеся в воде не более чем за 5 мин. Рабочая концентрация раствора 0,1%.
Синтанол ДТ-7 — моноалкиловый эфир полиэтиленгликоля на основе первичных жирных спиртов. Его биоразлагаемость составляет 90%. Серийное производство синтанол а ДТ-7 налажено в ПО «Салаватнефтеорг
Нагнетание жидкости в угольный пласт можно осуществлять с помощью насосных установок (высоконапорное нагнетание) и от шахтного водопровода (низконапорное нагнетание).