Способ снижения газопроницаемости угольного массива
METHOD FOR REDUCING GAS PERMEABILITY OF A COAL MASSIF

Настоящее изобретение относится к горной промышленности, к способу снижения снижению газопроницаемости массива угля в целиках между выработками и в массиве угля вмещающих пород в кровле, бортах, почве горной выработки.
2
2
2
2
При строительстве угольных шахт с системой разработки длинными столбами по простиранию нормативными документами разрешено проведение выработок, подающих свежий воздух в шахту от вентиляторов главного проветривания по выработкам построенных в пласте угля, склонного к самонагреванию. При этом необходимо выполнять мероприятия по нанесению изолирующих покрытий на поверхность угля для исключения доступа воздуха к углю в кровле, бортах, почве выработки (Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса, Кемерово 2007 год). В процессе эксплуатации подающей воздух выработки пройденной по углю необходимо постоянно контролировать и исключать различными техническими способами воздухопроницаемость массива вмещающих пород в целике угля между выработкой подающей воздух и другими выработками. Инструкцией ("Инструкция по предупреждению эндогенных пожаров и безопасному ведению горных работ на склонных к самовозгоранию пластах угля", Приказ Ростехнадзора от 16.12.2015 N 517) регламентированы работы по тампонажу массива горных пород герметизирующими материалами в качестве мероприятий по снижению их воздухопроницаемости. В случае дренажа воздуха через трещины и пустоты в целике угля, на пластах угля склонных самонагреванию, возможно начало реакции окисления угля с различными по температуре стадиями протекания, вплоть до высокотемпературного окисления - то есть горения. Критической температурой самонагревания угля считается температура 363-403 К (90-130°С) п. 1.1.8 (Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса, Кемерово 2007 год). При протекании процесса самонагревания угля в целиках или в массиве угля применяются различные способы снижения температуры угля. Самый простой способ подача воды в массив под давлением с добавками антипирогенами. В результате подачи воды происходит снижение температуры в массиве угля. Так же известны способы нагнетания в массив угля составов антипирогенов. В патенте SU1245715 А1 представлена технология при которой в зону очага эндогенного пожара подается сначала (первая стадия) смесь сульфитно-спиртовой барды с диаммоний фосфата и поверхностного-активного вещества, которая вспучивается и благодаря этому создает теплоизолирующий слой на очаге пожара, затем (вторая стадия) в очаг пожара подается смесь жидкого стекла с поверхностно-активным веществом и глицерином, в результате этого на теплоизоляционном слое образуется газонепроницаемый слой. При этом в патенте указано, что газонепроницаемость слоя возрастает по мере его высыхания. В результате этого горение в очаге пожара прекращается, а оставшееся тепло рассеивается в дальнейшем за счет теплопроводности угля. Однако у этого способа есть недостаток состоящим в том, что при тушении эндогенного пожара в массиве угля, рядом с действующей выработкой, необходимо ускорить процесс снижения температуры в затушенном очаге. И при применении для этого эффективного и дешевого способа нагнетания воды в очаг самонагревания, происходит вымывание газонепроницаемого слоя, выполненного на основе жидкого стекла, так как жидкое стекло не успевает затвердеть. Что в дальнейшем, после снижения температуры в очаге самонагревания угля может привести к повторному окислению угля, за счет доступа воздуха из действующей выработки по трещинам и порам к потушенному очагу, образовавшихся в результате вымывании незатвердевшего жидкого стекла при подачи воды к очагу пожара. Жидкое натриевое стекло это водный щелочной раствор натрия NO(SiO)n, где n - характеризует отношение числа молекул кремнезема к числу молекул щелочи, жидкое калиевое это водный щелочной раствор калия KO(SiO)n, где n - характеризует отношение числа молекул кремнезема к числу молекул щелочи. Из технических источников информации известно свойство жидкого стекла, полученного путем автоклавного растворения силикат глыбы водой вспениваться при резком увеличении температуры. Это свойство основано на том, что растворенная вода в жидком стекле имеет температуру кипения и парообразования равную +100°С, поэтому в результате мгновенного нагревания жидкого стекла происходит испарение воды из жидкого стекла с образованием пены, с закрытыми внутренними порами, из которых испарилась вода. Образующаяся пена имеет небольшую газопроницаемость и низкую теплопроводность, но при этом не водоустойчива. При резком нагревании смеси жидкого стекла с наполнителями так же происходит образование пены. В патенте SU 1654592 описан способ локализации эндогенных пожаров в угольных массивах, находящихся в зоне влияния очистных работ, за счет нагнетания в скважины антипирогена, который вспенивается на ранней стадии самонагревания угля, в составе этого антипирогена 83%-88% жидкого стекла. После вспенивания пена заполняет открытые трещины и поры, за счет этого уменьшается газопроницаемость в массиве, в результате чего происходит ликвидация самовозгорания угля.
2
2
2
2
2
Из существующего уровня техники и технологии известно целое направление в проектировании и производстве негорючих строительных материалов - негорючих неорганических клеев. К этой группе материалов относятся клеи на основе жидкого стекла натриевого или калиевого. Особенностью клеев на основе жидкого стекла является большое количество отвердителей в взаимодействии которых с жидким стеклом происходят химические реакции, в результате которых, по данным из разных источников, происходит коагуляция растворов натриевого жидкого стекла NO(SiO)n и калиевого жидкого стекла KO(SiO)n (где n - характеризует отношение числа молекул кремнезема к числу молекул щелочи) с образованием коллоидного кремнезема, который затвердевает и связывает наполнитель. В книге «Неорганические клеи» - 2-е изд., перераб. и доп.. - Л.: Химия, 1986. - 152 с., ил. автор Сычев М.М. подробно представлены физико-химические процессы твердения различных неорганических клеев. Представлены составы и способы получения клеев. Подробно описаны составы термостойких неорганических негорючих клеев на основе жидких стекольных смесей с различными наполнителями и отвердителями. Одним из отвердителем жидкого стекла является газ СО.
К негорючим строительным материалам относятся строительные материалы при следующих значениях параметров горючести, определяемых экспериментальным путем: прирост температуры - не более 50 градусов Цельсия, потеря массы образца - не более 50 процентов, продолжительность устойчивого пламенного горения - не более 10 секунд (п. 4, Статья 13, 123 ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности»). Определение строительных материалов на категорию НГ (негорючие) выполняют по ГОСТ 57270-2016 «Материалы строительные. Методы испытания на горючесть». Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является способ снижения газопроницаемости массива угля и одновременное торможение и блокирование реакции окисления угля за счет исключения доступа воздуха к зонам окисления угля в массиве.
2
2
2
2
2
2
2
Поставленная задача решена путем нагнетания в массив угля со стороны действующей выработки жидкого негорючего неорганического термостойкого и водостойкого клея, изготовленного на основе жидкого стекла натриевого (водный щелочной раствор натрия (NO(SiO)n), калиевого (водный щелочной раствор калия KO(SiO)n), литиевого (водный щелочной раствор лития LiO(SiO)n) или их смесей, где где n - характеризует отношение числа молекул кремнезема к числу молекул щелочи, с наполнителями из негорючих горных пород максимальным эквивалентным диаметром частиц 10 мкм и отвердителями жидкого стекла с максимальным эквивалентным диаметром частиц 10 мкм, отвердителем жидкого стекла газом СО. Нагнетания жидкого клея в массив угля производят с использованием пакеров через шпуры, пробуренные в массиве угля.
2
2
Сущность изобретения. Жидкий негорючий термостойкий и водостойкий клей, приготовленный на основе жидкого стекла обладает адгезией к углю, горным породам. Жидкое стекло представляет собой водный щелочной раствор натрия, калия или лития, то есть обладает смачивающей способностью, в результате чего может проникать в микропоры угля и горных пород за счет смачивания. При контакте жидкого клея с углем само разогретым до температуры 100°С по месту контакта происходит образование пены, за счет мгновенного испарения воды. На приобъектный склад угольной шахты поставляются компоненты для приготовления негорючего клея из жидкого стекла определенного состава. Компоненты клея поставляются в герметичной упаковке: жидкое стекло натриевое, жидкое калиевое стекло или смеси из жидкого натриевого, калиевого и литиевого стекла - в пластиковых ведрах или бочках - массой нетто 30 кг; мелкодисперсный наполнитель для приготовления клея из негорючих горных пород с максимальной крупностью частиц 10 мкм - в пластиковых ведрах или бочках массой нетто 30 кг; компонент отвердитель для жидкого стекла: двухкальциевый алюмосиликатат 2CaO⋅SiO; или любой другой отвердитель жидкого стекла у которого есть определенный по времени индукционный период образования коллоидного кремнезема в жидком стекле, размолотые до максимального эквивалентного диаметра частиц 10 мкм, упакованный в герметичные пластиковые ведра или бочки массой нетто 30 кг. Отвердитель клея сжиженный углекислый газ СО поставляется в специальных баллонах с редукторами для регулирования подачи. Компоненты для приготовления клея в герметичной упаковке доставляются по горным выработкам шахты к месту производства работ. В месте производства работ компоненты перемешиваются в специальной емкости вручную или при помощи миксера в емкости специального насоса (Рис. 1) до жидкого однородного состояния, затем полученный негорючий неорганический термостойкий и водостойкий жидкий клей подают в специальный насос для нагнетания с давлением нагнетания от 25 атм., которым при помощи разжимных пакеров с одноразовым обратным клапаном, через шпуры пробуренные в массиве угля, нагнетают в массив угля, при этом благодаря наличию обратного клапана в пакере, создается постоянное давление нагнетания клея, в результате чего клей проникает через трещины и поры по массиву угля, обволакивает уголь, в трещинах и порах, и затем застывает в трещинах и порах, полностью их заполняя. При этом в зонах окисления угля и его самонагревания по контакту нагнетаемого клея с углем температурой +100°С и выше образуется слой водорастворимой пены.
2
2
Нагнетание производится до момента появления клея на борту поверхности бортов выработки или до момента «отказа» шпура принимать клей. При использовании в качестве отвердителя газа СО, после завершения нагнетания клея к герметизатору подключается баллон с сжиженным СО с установленным редуктором понижения давления и производится подача газа под давлением 50 атм.
Технический результат. В процессе эксплуатации подающей свежий воздух от вентилятора выработки, пройденной по пласту угля склонного к самонагреванию, в целике угля между этой выработкой и другими выработками, а так же в массиве угля образуются трещины по которым начинает поступать воздух. В результате этого могут сложится условия для начала стадийного процесса окисления угля. При нагнетании жидкого негорючего термостойкого и водостойкого клея, изготовленного на основе жидкого стекла с наполнителями и отвердителями, в массив угля при помощи разжимных пакеров с обратным клапаном через шпуры, пробуренные в массиве угля, жидкий клей за счет своих свойств проникает через трещины и поры в массиве угля обволакивает уголь, в трещинах и порах, и затем застывает в трещинах и порах, полностью их заполняя. В результате этого внутренняя поверхность пор и трещин изолируется от контакта с кислородом и исключается попадание воздуха из действующей выработки по трещинам и порам в глубь массива угля. В местах контакта жидкого клея с само нагретым углем до температуры +100°С и выше образуется газонепроницаемая теплоизолирующая пена (19), которая блокирует реакцию окисления угля по контакту с углем (Рис. №2.2). В течении времени происходит торможение реакции окисления угля и в последствии ее блокирования в местах очагов самонагревания угля в массиве. Для рассеивания тепла от очагов, в которых уголь полностью изолирован от доступа воздуха негорючим термостойким и водостойким клеем из действующей выработки, производится нагнетание воды с антипирогенными присадками через шпуры, пробуренные в массиве угля, к предполагаемым очагам самонагревания угля с использованием разжимных пакеров, давление нагнетания воды выше минимально на 15% давления, под которым нагнетали жидкий клей. При этом вода под давлением в массиве угля размывает образовавшуюся из жидкого стекла пену по контакту с углем и в трещинах (22), и по этой причине попадает непосредственно в зоны самонагревания угля, затем дренирует по массиву угля, а трещины и поры где не произошло образование пены, - то есть где не было самонагревания угля до критической температуры 90-100°C, остаются заполнены термостойким негорючим водостойким клеем, который не разрушается от контакта с водой (Рис. №3, Рис. №3.1, № Рис. №3.2). После снижения температуры в очагах в массиве угля в шпуры, по которым нагнеталась вода, при помощи разжимных пакеров с одноразовыми клапанами нагнетается жидкий негорючий термостойкий и водостойкий клей, изготовленный на основе жидкого стекла с наполнителями и отвердителями, для заполнения трещин и пор, образовавшихся в массиве угля в результате размывания пены водой.
Затем в ходе дальнейшей эксплуатации выработки и прилегающих к ней массиву угля производится мониторинг температуры массива угля. В случае повышения температуры производится повторное нагнетание в массив угля жидкого негорючего термостойкого и влагоустойчивого клея и охлаждения массива угля при помощи воды. В результате этого возможно полное блокирование очагов самонагревания угля в массиве, а так же профилактическая герметизация массива угля от доступа воздуха для исключения процесса окисления угля на пластах склонных с самонагреванию.
Предлагаемый способ и материал был использован для, герметизации целика угля между подающей воздух выработкой и другой горной выработкой на одной из шахт в Кузбассе.
Пример 1.
3
В ходе эксплуатации Вентиляционного ствола шахты, по которому подается свежий воздух в шахту объемом 10000 м/мин было установлено, что по целику угля между Вентиляционным стволом и Конвейерным стволом происходит дренаж воздуха по трещинам в массиве угля. В результате этого дренажа инициировался процесс окисления угля и его самонагревания. Для выполнения обследования состояния массива целика угля были отбурены шпуры диаметром 43 мм длиной от 6 м до 10 м со стороны Вентиляционного ствола. По результатам обследования было установлено что:
1. Температура буровой мелочи из шпуров достигала 100°С;
2. Косвенно, по сопротивлению пород буровому резцу при бурении, определи что в массиве угля образовались полости с расслоившимся углем.
Для снижения воздухопроницаемости массива угля в целике угля между Вентиляционным стволом и Конвейерным стволом, а так же снижения температуры в зонах окисления угля с параллельным торможением и блокированием реакции окисления угля, за счет исключения поступления воздуха к зонам окисления, было предложено выполнить нагнетание с использованием разжимных пакеров через шпуры диаметром 43 мм при помощи нагнетающих насосов негорючего неорганического клея герметизирующей композиции «Негорючая крепь», изготовленной по ТУ 5772-004-50576573-2014 на основе смеси калиевого и литиевого жидкого стекла следующего состава:
Состав №3
После этого выполнить нагнетание воды с мочевиной при помощи разжимных пакеров через шпуры диаметром 43 мм длиной 8 м, пробуренные в зону предполагаемого очага самонагревания массива угля. Затем в шпуры, по которым нагнеталась вода выполнить нагнетание герметизирующей композиции «Негорючая крепь» состав №3 для заполнения оставшихся после нагнетания воды трещин и пор в массиве угля негорючим термоустойчивым влагоустойчивым клеем.
2
Герметизирующая композиция «Негорючая крепь» поставлялась в шахту компонентами. Перед применением компоненты герметизирующей композиции «Негорючая крепь» перемешивались в смесителе насоса ПНТ-1 (Рис. №1) и подавались в емкость из которой материал нагнетался в массив угля с использованием нагнетающего насоса с давлением нагнетания 50 атм. Рис. 2. Отвердитель для герметизирующей композиции «Негорючая крепь» состав №3 углекислый газ СО, который доставили в баллонах с редукторами для регулирования давления подачи в горную выработку, подавался в шпур через тот же пакер, после завершения нагнетания жидкого клея, под давлением на 15% выше давления, при котором нагнетался жидкий клей.
При производстве работ по нагнетанию было отмечено, что при нагнетании негорючего неорганического клея в шпуры, пробуренные в зоны окисления, расход материала в 3-4 раза превосходил расход материал при нагнетании в зоны где нет окисления угля.
После проведения нагнетания герметизирующей композиции «Негорючая крепь» в массив угля в целике между выработками Вентиляционный ствол и Конвейерный ствол дренаж воздуха сократился до минимальных значений.
Затем в зону предполагаемого очага самонагревания были пробурены шпуры диаметром 43 длиной 8 м и в одну скважину через разжимной пакер нагнетали воду по давлением до 80 атм (Рис. №3). В результате образовался дренаж воды по зоне очага самонагревания, за счет того, что вода под давлением продавила и затем размыла менее прочную пену, образовавшуюся из жидкого стекла при контакте с само разогретым углем (Рис. №3.2).
После нагнетания воды в течении 7 суток, в шпуры через разжимные пакеры закачали герметизирующую композицию «Негорючая крепь» состав №3.
В течении 15 суток после начала производства работ по нагнетанию температура в целике угля снизилась и составила 12°С. Данная температура характерна для целика угля на всем протяжении Вентиляционного ствола, что является косвенным подтверждением блокирования реакции окисления угля в целике герметизирующей композицией «Негорючая крепь».
Для проверки фактического состояния угля в целике в зонах, где отмечалась наибольшая температура были повторно пробурены шпуры диаметром 43 мм длиной 10 м. По буровой мелочи и расположению шпуров было определено:
1. Пустоты полностью заполнены затвердевшей герметизирующей композицией «Негорючая крепь»;
2. Температура угля из шпуров составляет 14°С.
Краткое описание чертежей.
На рисунке №1 представлен специальный насос для производства работ по нанесению негорючего клея:
1. Рама насоса;
2. Пневмопривод смесителя, мощностью не менее 1,5 кВт;
3. Емкость для перемешивания компонентов;
4. Передающий вал пневмопривода смесителя;
5. Крыльчатка смесителя;
6. Пневмопривод шнековой пары, мощностью не менее 3 кВт;
7. Передающий вал пневмопривода шнековой пары;
8. Шнековая пара, производительностью от 10 литров/минуту;
9. Подающий патрубок;
10. Подающий резиновый армированный рукав;
11. Распылитель.
На рисунке №2 представлен схематичный поперечный разрез по выработкам и целику угля между ними в который нагнетается жидкий негорючий неорганический термостойкий и водостойкий клей:
12. Шестеренчатый нагнетающий насос;
13.Пневмомотор;
14. Рама насоса;
15. Высоконапорный бронированный шланг;
16. Участки массива угля, пропитанные негорючим неорганическим термостойким и водостойким клеем;
17. Разжимной пакер с эластичными стенками;
18. Массив угля;
19. Пена, образовавшееся из жидкого стекла при контакте с само разогретым углем;
20. Затвердевший в трещине негорючий неорганический термостойкий и водостойкий клей;
На рисунке №3 представлен схематичный поперечный разрез по выработкам и целику угля между ними в который нагнетается вода для снижение температуры в очагах самонагревания:
21. Шпур, заполненный водой для охлаждения массива;
22. Дренаж воды по контакту с углем, в месте размывания пены.
Литература.
1. «Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса», Кемерово 2007 год.
2. «Инструкция по предупреждению эндогенных пожаров и безопасному ведению горных работ на склонных к самовозгоранию пластах угля», Приказ Ростехнадзора от 16.12.2015 N 517.
3. SU 1245715 А1.
4. SU 1654592.
5. «Неорганические клеи» - 2-е изд., перераб. и доп.. - Л.: Химия, 1986. - 152 с., ил. автор Сычев М.М..
6. 123 ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
7. ГОСТ 57270-2016 «Материалы строительные. Методы испытания на горючесть».