Снижение пылеобразующей способности угольного пласта с помощью термовлажностной химреагентной обработки (ТВХО)

Взрывы газа и угольной пыли относятся к авариям с наиболее тяжкими последствиями в социальном и экономическом плане. Нередко они сопровождаются групповыми несчастными случаями, в отдельных случаях уносят сотни человеческих жизней. На один миллион тонн добытого угля в России приходится одна шахтерская жизнь.

■ Число погибших

Рис.1. Смертность на угольных шахтах России за период с 1992г. по 2013г.

С 1992 г. по 2013 г. на угольных шахтах России произошло 25 аварий(рис.1), причиной 20 из них были взрывы метана и угольной пыли.

Проблема борьбы со взрывами угольной пыли в шахтах на сегодняшний день очень актуальна. Применяются меры борьбы с пылью в угольных шахтах, направленные на предупреждение или значительное уменьшение пылеобразования, подавление пыли, взвешенной в воздухе, обезвреживание пыли в отношении опасности взрыва.

В соответствии с ПБ в угольных шахтах для уменьшения пылеобразования при ведении очистных работ должно применяться предварительное увлажнение угольного массива. Мы предлагаем снижение пылеобразующей способности угольного пласта с помощью термовлажностной химреагентной обработки массива (ТВХО) [2].

Суть предлагаемой методики сводится к следующему. В пласте, параллельно очистному забою бурятся сквозные скважины (две), которые последовательно соединяются между собой, с насосной установкой, фильтром, нагревателем и с ёмкостью, в которую подаётся вода и смачиватель. Устья скважины герметизируются. На сбросе устанавливается вентиль, обеспечивающий контролируемое давление раствора в скважинах. Благодаря напору раствора в скважине, разности температур раствора и массива (градиенту температуры, направленному от раствора к массиву), смачивающим добавкам происходят равномерная пропитка угольного пласта и связывание в нём пыли при его разрушении [4].

Для определения рациональных параметров технологии в лаборатории кафедры «АОТ» были проведены испытания, направленные на исследование влияния концентрации смачивателя на влагонасыщение угля. 7 образцов угля помещались в ёмкости с растворами разной концентрации смачивателя. По истечении 22 часов по приросту массы образцов определялся коэффициент влагонасыщения. Его максимальное значение получилось для концентрации смачивателя, равной 0,5 % (рис. 2). Была определена температура раствора смачивателя, которая составила 3040 °C.

Рис. 2. Диаграмма влияния концентрации смачивателя на влагонасыщение угля.

Всё это позволило определить рациональные параметры технологии ТВХО, которая состоит из 2-х схем:

• 1-я схема - испытания ТВХО в глухих скважинах;

• 2 -я схема - испытания ТВХО в закольцованных скважинах.

Закольцевание скважин используется для нагрева и поддержания температуры угольного пласта на требуемом уровне, что обеспечит равномерное увлажнение угольного массива[1].

Для проведения ТВХО угольного массива лавы по 2-ой схеме необходимо пробурить из промежуточного штрека на конвейерный штрек две сквозные скважины диаметром – 0,1 м (рис. 3). Расстояние между скважинами – 20 м. С каждого конца вставляются обсадные трубы длиной - 5 м. В полость между трубами и стенками скважины закачивается герметизатор. Пробуренные скважины промываются чистой водой. В конвейерном штреке скважины последовательно соединяются друг с другом высоконапорным шлангом. На трубе скважины № 2, выходящей в промежуточный штрек, устанавливается вентиль, которым создаётся подпорное давление.

Рис. 3. Технологическая схема ТВХО обработки массива в выемочном участке.

1 – опережающая крепь; 2 – пожарно-оросительный трубопровод; 3 – клеть; 4 - перегружатель скребковый; 5 – водная завеса; 6 – дробильная установка; 7 – головка конвейера; 8 – ленточный конвейер; 9 – фильтр очистки воды; 10 – дозатор смачивателя; 11 – пускатель; 12 – пропиточный насос; 13 – устройство громкоговорящей связи; 14 – герметизаторы; 15 – подпорный вентиль.

Холодная вода из ПОТ проходит через фильтр, нагреватель и дозирующее устройство, где добавляется смачиватель «Неолас». Для пропитки угольного массива горячий раствор определённой концентрации под давлением нагнетается в скважину № 1. Во время нагнетания раствора в угольный массив вентиль на выходе второй скважины находится в открытом состоянии. По достижении температуры на выходе близкой к исходной, вентиль закрывают и производят нагнетание раствора в угольный пласт. При завершении приемистости верхней пачки пласта производится увлажнение нижней пачки пласта.

При этом производятся измерения концентрации пыли в исходящей струе воздуха на конвейерном штреке без и с применением ТВХО угольного массива.

В связи с этим разработаны следующие рекомендации по применению обеспыливающей ТВХО угольного массива:

• 1.    Для уменьшения пылеобразования при ведении очистных работ комбайнами по пластам с удельным пылевыделением более 200 г/т должно применяться предварительное увлажнение угольного массива. При проведении подготовительных выработок комбайнами по пластам с удельным пылевыделением более 60 г/т должно применяться предварительное увлажнение угольного массива.

• 2.    Для получения максимального эффекта от предварительного увлажнения угольного массива нагнетание жидкости в пласт необходимо производить в режиме влагонасыщения. Режим влагонасыщения обеспечивается давлением нагнетания жидкости, предельные значения которого разные для различных марок углей.

• 3.    Для повышения эффективности связывания пыли при предварительном увлажнении угольного массива предлагается увлажнять массив подогретым раствором смачивателя от 30 до 40°C, обеспечивающим повышение равномерности увлажнения за счет перемещения влаги в направлении температурного градиента[3].

Таким образом, предложена методика проведения термовлажностной химреагентной обработки угольного массива как основного источника пылеобразования при ведении горных работ, включающая нагревание раствора смачивателя и использование оптимальных концентраций смачивателя, позволяющая повысить пылевзрывобезопасность шахт за счет снижения запыленности воздуха и интенсивности пылеотложения в горных выработках.

Преимуществом данной методики обработки угольного массива является то, что при нагревании массива и при использовании смачивателя возникает температурный градиент и градиент концентрации, что, например, повышает эффективность пылеподавления на открытых горных работах до 60 раз в условиях многолетней мерзлоты[2].