Нетрадиционная выемка угля из крутопадающего пласта с применением физико-химических воздействий

А.А.Кузнецов, к.т.н., ННЦ ГП-ИГД им. А.А.Скочинского


Добыча угля подземным способом является весьма трудоемким и дорогостоящим процессом и практически во всех угледобывающих странах требует государственной поддержки. Россия здесь не является исключением. Особенно трудное положение сложилось в России на шахтах, разрабатывающих пласты крутого и крутонаклонного падения. Добываемый на подобных месторождениях уголь требует существенно больших материальных и трудовых затрат, чем на пологом падении, однако наличие развитого шахтного фонда и высокая технологическая ценность коксующихся углей, особенно, в пластах крутого падения Кузбасса, будут оправдывать его добычу в ближайшие 10–15 лет в значительном объеме для металлургических заводов Урала, Сибири и Дальнего Востока. Промышленные запасы угля в крутых пластах мощностью более 1.8 м в России составляют более 1200 млн.т, из них в Кузбассе — 94.6%, две трети из которых сосредоточены на полях шахт Прокопьевско-Киселевского района.

Причинами низких технико-экономических показателей добычи угля из крутых пластов являются сложные горно-геологические условия, низкие темпы реконструкции шахтного фонда, а, главное, — отсутствие эффективной технологии и высокопроизводительных средств механизации для таких условий. Резервы же модернизации и повышения эффективности типовых технологических схем разработки крутых пластов весьма невелики, а значительная часть запасов вообще не может быть безопасно отработана с применением этих схем. За последние 35 лет разработаны, изготовлены и прошли промышленную проверку в очистных забоях на пластах крутого и крутонаклонного падения шахт Прокопьевско-Киселевского района 22 агрегата и комплекса различной конструкции, однако это не дало желаемых результатов и не оказало заметного влияния на улучшение работы шахт.

Одним из путей решения проблемы повышения эффективности добычи угля из крутых пластов может стать применение физико-химических воздействий на углепородный массив и создание на этой основе нетрадиционной технологии выемки угля. В ИГД им. А.А.Скочинского были проведены работы по определению эффективности физико-химического воздействия для самопроизвольного диспергирования угля, которые показали, что самопроизвольное разрушение угля в пласте под действием различных, имеющих довольно сложный состав, растворов, протекает в условиях напряженного состояния с невысокими скоростями и может быть использовано только для некоторых марок углей (например, битуминозных). Одновременно показано, что адсорбция на угольной поверхности может оказать существенное влияние на физико-механические свойства угля, причем, это возможно только при эффективном впитывании. Разработаны растворы, обеспечивающие максимальное заполнение порового пространства углей. Это позволило разработать не только теоретические основы разупрочнения угля и горных пород, но и разработать технологические параметры и режимы воздействия разупрочняющих растворов на угольные пласты с целью их эффективной выемки.

При разработке технологических процессов добычи угля на основе использования физико-химических воздействий прежде всего учитывалось, что суммарная энергоемкость разрушения складывается из затрат при упругой деформации, при пластинчатой деформации, при образовании новых поверхностей (дроблении) и при перемещении угольной массы в процессе разрушения. С учетом этого выявляется возможность уменьшения энергоемкости разрушения за счет изменения природы физико-химических явлений на межфазных границах твердого тела (эффект Ребиндера) и соответствующих характеристик состояния углепородного массива. При взаимодействии горных пород с модифицирующими средами типа поверхностно-активных веществ (ПАВ) на поверхности твердого тела и внутри порового пространства протекают процессы фильтрации, смачивания, адсорбции, капиллярной конденсации, электрокинетические явления, процессы массообмена, которые обусловливают закономерности и механизм адсорбционного облегчения процессов разрушения и деформирования угля.

В условиях постоянства поверхностной энергии и модуля упругости прочность угля пропорциональна корню квадратному из обратной величины пустотности (трещиноватости, пористости, дефектности и пр.), которая в разной степени представляет жидкой среде возможность модифицировать внутреннюю поверхность угля за счет формирования адсорбционных и смачивающих пленок. В связи с этим величина разупрочнения угольного пласта зависит от степени заполнения порового пространства угля модифицирующим раствором: чем меньше незаполненный поровый объем породы, тем выше степень разупрочнения (рис. 1). Кроме того, в связи с адсорбцией начальная концентрация ПАВ в растворе также оказывает существенное влияние на снижение прочности (кривая 2, рис. 1).

Для эффективной обработки наружной и внутренней поверхности горных пород и, следовательно, более полного заполнения порового пространства необходимо применять водные растворы с высоким значением напряжения смачивания по отношению к обрабатываемой поверхности. Такими растворами могут быть водные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ) и различных добавок, содержащих катионы и повышающих рН среды (одновалентные соли и сода).

Наиболее эффективными для горных пород являются ПАВ‘ы, которые используются в различных отраслях промышленности как смачиватели. Исследования показали, что такими ПАВ‘ами являются органические неионогенные поверхностно-активные вещества. ПАВ-смачиватели широко применяются в текстильной промышленности, строительстве, при разработке суспензий для обработки металлов, в нефтяной промышленности, при пылеподавлении, обогащении и пр. Они не токсичны, подвергаются биоразложению. Цены на них не превышают 10–12 тыс.руб. за тонну, расход же их при обработке угольных пластов растворами ПАВ не превышает 4 грамм на м3 горной массы.

На основе фундаментальных исследований физико-механического и газодинамического состояния угольных пластов создана нетрадиционная технология выемки угля с использованием физико-химического воздействия [1]. Исследованиями [2] определены условия смещения и разрушения угольного пласта, которые позволяют оценить необходимую степень изменения прочностных, упругих и фильтрационных свойств угольного вещества и трения под влиянием понизителей прочности, при котором действие природных сил и внешних воздействий приводит к смещению угольного вещества в сторону свободной поверхности и его разрушению.

В основу выбора растворов для углей, в зависимости от прочностных свойств и степени метаморфизма, положена методика, предусматривающая определение прочностных свойств угля, его пористости, способности впитывать раствор и адсорбировать на поверхности пор и трещин активную часть раствора. При проведении опытно-промышленной проверки в условиях шахт им. Г.Димитрова и «Бунгурская» АО «Кузнецкуголь» применяли смачиватель АФ 12-В. Концентрации активных составляющих в растворе для пластов, на которых проводились испытания, находились в пределах 0.1–1.0% при рН=8–10. При этом проводилась максимально равномерная обработка всего объема угля, намеченного к выемке, при минимальном воздействии разупрочняющих растворов на вмещающие породы. Это достигается выбором числа закачных скважин, определенным расположением их по площади сечения полосы угольного пласта, предназначенной к выемке, и режимом обработки (давление, объем и время обработки). Удельный расход раствора зависит от пористости и влажности угля в пласте и в эксперименте составлял 5–10 л/м3 угля, длительность обработки с учетом выдержки для капиллярной пропитки составляет 1–3 суток.

На основании комплексных исследований [3] разработана технологическая схема выемки крутых пластов различной мощности с кровлей средней и выше средней устойчивости при углах падения более 45° (рис. 2). Наиболее благоприятными для применения данной технологии являются пласты угля разной стадии метаморфизации (кроме антрацитов), имеющие мощность 2 м и более и угол падения 60–90°.

Испытания  технологии проводились на шахте «Бунгурская» при мощности пласта 6.0 м и угле падения 80°. Пласт состоит из двух пачек угля и отрабатывается обычно по штатной технологии подэтажного шахтного обрушения (ПШО) или с помощью щитов полосами по падению, с разбивкой этажа на два подэтажа. Во время испытаний институтом ВНИИОСуголь  проведено мониторинговое изучение состояния окружающей среды как в подземных условиях, так и на территории, прилегающей к шахте. По новой технологии было добыто более 60 тыс.т угля.

Основные результаты испытаний нетрадиционной технологии выемки с использованием физико-химического воздействия и самообрушения угля могут быть сведены к следующему:

а) нетрадиционная технология добычи угля с использованием физико-химических воздействий на пласт показала свою работоспособность в условиях проведения экспериментальных работ и промышленного опробования на шахте «Бунгурская»;

б) фактические технические показатели новой технологии при сохранении обычной численности (для новой технологии она существенно меньше) рабочих выемочного участка (суточная добыча, производительность труда) в условиях проведения экспериментов в 1.5–2 раза выше, чем при базовой технологии ПШО;

в) технология на основе ФХО пласта снижает объем проведения подготовительных выработок, сводит к минимуму применение буровзрывных работ при очистной выемке, обеспечивает снижение расхода леса, ВВ и СВ;

г) применение новой технологии не приводит к ухудшению экологической обстановки в шахте и на поверхности, а, вследствие значительного уменьшения объема буровзрывных работ и исключения присутствия рабочих в очистном забое, улучшает условия и повышает безопасность труда;

д) технология может применяться на крутых пластах в широком диапазоне мощностей.

Оценка технико-экономических показателей нетрадиционной технологической схемы, проведенная расчетным методом с использованием математической модели, построенной на основе экспериментальных данных по опытной отработке пласта и фактических трудовых и материальных затрат по операциям технологического цикла шахты «Бунгурская», показывает преимущество нетрадиционной технологии на основе ФХО угольного пласта. Один из вариантов расчета параметров технологической схемы на основе физико-химической обработки и сравнение ее с технологией ПШО приведены в таблице.

Данные таблицы показывают, что параметры технологии на основе ФХО существенно, в 4–5 раз, могут превосходить параметры традиционной технологии ПШО.

Литература

1. А.А.Кузнецов, Г.Я.Воронков, Г.И.Марцинкевич и др. Способ выемки крутопадающих угольных пластов. А.с. № 1375818, МКИ3 Е21С41/04. Опубл. 23.02.88 — Бюл. № 7.

2. А.А.Кузнецов, Г.И.Марцинкевич, Г.Я.Воронков, А.Н.Антипов. Теоретические и экспериментальные результаты исследований процесса физико-химической обработки крутых пластов с целью повышения эффективности извлечения угля. Научн. сообщ. ИГД им. А.А.Скочинского. Вып. 296, М., 1994, с. 8–17.

3. А.А.Кузнецов, Г.И.Марцинкевич. О создании нетрадиционной технологии добычи угля. Горный вестник, № 5, 1997, с. 46–50. n

Журнал "Горная Промышленность" №3 1999