Содержание
- 2. ЛЕКЦІЯ 7 Гідравлічні і газодинамічні властивості гірських порід Вода і гази, що заповнюють поровий простір гірських
- 3. Вологість і вологоємність Вологість - параметр, що характеризує вміст води в гірській породі. Загальна максимальна вологість
- 4. Прикладами мінералів з кристалізаційною водою є СаSO4⋅2H20, епсоміт MgSO4⋅7H2O, діоптаз Сu6(Si6O18)⋅6H2O та ін. Характерно, що більшість
- 5. В результаті впливу капілярних сил в поровому просторі породи накопичується і утримується вода, яку називають фізично
- 6. Змочуваність - здатність гірської породи покриватися плівкою рідини. Величина змочування твердої поверхні рідиною характеризується крайовим кутом
- 7. Завдяки здатності порід вміщати зв'язану, гравітаційну та капілярну воду до деякої максимальної величини введено поняття повної
- 8. Часто для оцінки водонасичення породи в природному заляганні використовують такий параметр як природна вологість ωе ωе
- 9. Деякі особливості фізико-хімічного стану рідин і газів в масиві порід Мінеральне паливо в земній корі сконцентровано
- 10. При будівництві підземних споруд (стволів шахт, тунелів метро, сховищ і т.д.) іноді виникають проблеми, пов'язані з
- 11. ЛЕКЦІЯ 8 Метаноєність вугілля Особливі випадки виділення газу з вугілля Великий об'єм мікропор в кам'яному вугіллі
- 12. Потенційна газоносність визначається, виходячи зі зміни газоємності породи в лабораторних умовах в залежності від тиску газів,
- 13. Газообільність - кількість газу, що виділився в гірничі виробки на одиницю об'єму або ваги видобутого вугілля.
- 14. Відхід від викиду не означає ліквідацію небезпеки, оскільки створюється ситуація, яка як правило характеризується більш небезпечним
- 15. Раптовий викид умовно поділяють на три фази: 1 – раптове руйнування і зрушення вугілля (відбувається без
- 16. Вугілля з небезпечних за раптовими викидами пластів практично не відрізняється за газоємністю від вугілля з безпечних
- 17. Процес газовиділення в часі условно можна розділити на три фази: 1 – фаза початкового газовиділення характеризується
- 18. Способи боротьби з проявами раптових викидів вугілля і газу Важливими і актуальними завданнями, що виникають при
- 19. Технологічні заходи включають вибір систем розробки, техніки і технології виїмки вугілля, які забезпечують мінімальну ймовірність раптового
- 20. Тепловий вплив включає дві стадії: першу - в свердловину нагнітають водяну пару при температурі 600 К;
- 21. Фізико-хімічні методи управління газо- і водопроникністю вугільних пластів і породних масивів. Способи відновлення водопритоку Обводненість масивів
- 22. Торпедування свердловин. Метод полягає у підриванні спеціальних зарядів вибухових речовин, розміщених в кульових або торпедних перфораторах,
- 23. Способи знеміцнення порід Констатуємо той факт, що зі збільшенням вологості зменшується статичний модуль Юнга (модуль пружності
- 24. Способи закріплення порід У технологічних процесах гірничого виробництва поряд з використанням методів знеміцнення порід, виникає часто
- 25. Хімічний вплив. Цей метод полягає в тому, що в породу нагнітають під тиском два хімічних розчини
- 27. Скачать презентацию
ЛЕКЦІЯ 7
Гідравлічні і газодинамічні властивості гірських порід
Вода і гази, що
ЛЕКЦІЯ 7
Гідравлічні і газодинамічні властивості гірських порід
Вода і гази, що
Вологість і вологоємність
Вологість - параметр, що характеризує вміст води в гірській
Вологість і вологоємність
Вологість - параметр, що характеризує вміст води в гірській
ω = ωх.с. + ωф.с. + ωсв,
де:
ωх.с. – об'ємний вміст хімічно зв'язаної води в твердій фазі породи;
ωф.с. – об'ємний вміст фізично зв'язаної води;
ωсв. – об'ємний вміст в породі вільної води. Величину ω називають ще й вологоємністю, яка при певних термодинамічних умовах і характеристиці води, що насичує породи, є величиною постійною для даної породи. Вологість в свою чергу, може змінюватися в широких межах за рахунок зміни вмісту в порах фізично зв'язаної і вільної води (вільну воду часто в літературі називають гравітаційною водою).
В мінералах присутня хімічно зв'язана вода у вигляді молекул Н2О, що входить у кристали – кристалізаційна вода.
Прикладами мінералів з кристалізаційною водою є СаSO4⋅2H20, епсоміт MgSO4⋅7H2O, діоптаз Сu6(Si6O18)⋅6H2O
Прикладами мінералів з кристалізаційною водою є СаSO4⋅2H20, епсоміт MgSO4⋅7H2O, діоптаз Сu6(Si6O18)⋅6H2O
Такі мінерали як гарніерит (Ni, Mg)4 [Si4O10](OH)4⋅4H2O, галлуазит Al4Si4O10(OH8)⋅4H2O містять кристалізаційну і конституційну воду. Сумарний вміст у твердій фазі мінералу хімічно зв'язаної води позначають символи H2O+, маючи на увазі всю воду, що виділилася в результаті нагрівання мінералу при температурі вище 378 К.
В результаті впливу капілярних сил в поровому просторі породи накопичується і
В результаті впливу капілярних сил в поровому просторі породи накопичується і
плівкова, що утримується поверхнею твердої фази,
капілярно-утримана.
Плівкова вода представлена полішарами зорієнтованих молекул Н2О, розташованих уздовж поверхні частинок мінерального скелета породи. Передбачається, що значну частину молекул плівкової води формують гідратні оболонки катіонів, які утворюють адсорбційний шар на поверхні твердої фази (можливе дифузне розподілення у межах плівки). За результатами досліджень товщина шару плівкової води становить від декількох ангстрем (10–10 м) до 10–7 м. За фізичними властивостями плівкова вода різко відрізняється від вільної води. Так щільність і в'язкість плівковою води вищі, температура замерзання і здатність розчиняти солі - нижчі. Відрізняються також за величиною діелектричної проникності і питомої електропроводності. У зв'язку з такими якостями властивості плівкової води називають аномальними, що дозволяє виділити її як особливу фазу в об'ємі породи з відмінними фізико-хімічними властивостями від вільної води.
Тому аномальні властивості плівкової води виділяють тільки в межах цих перших шарів. Така гідратна оболонка катіонів має щільність в межах 1,3–1,7 г/см3, діелектричну проникність 10-30 від.од., характеризується температурою замерзання 195-199 К. Вплив на зразок породи тиском (на прикладі монтморилоніту та інших змішаношарових глинистих мінералів) 2⋅109 Па не дозволяє віджати всю міцнозв’язану воду, що свідчить про високий ступінь зчеплення води з поверхнею твердої фази.
Змочуваність - здатність гірської породи покриватися плівкою рідини. Величина змочування
Змочуваність - здатність гірської породи покриватися плівкою рідини. Величина змочування
Завдяки здатності порід вміщати зв'язану, гравітаційну та капілярну воду до деякої
Завдяки здатності порід вміщати зв'язану, гравітаційну та капілярну воду до деякої
масова повна вологоємність
ωп = (mn – mc)/ mc, (5.3)
об’ємна повна вологоємність
ωп.об = Vж/V = (ωп.об ρ)/ρж, (5.4)
де:
mп – маса породи, максимально насиченою водою;
V – об’єм породи;
Vж – об’єм води, що заповнює породу, Vж = (mn – mc)/ρж;
ρж – щільність води;
ρ – об’ємна маса породи;
mc – маса сухого зразка породи.
Об'ємна повна вологоємність за величиною приблизно дорівнює відкритій пористості породи. У тому випадку, якщо пори не пов’язуються між собою і в них залишається деяка кількість газу, невитісненого водою, то навіть при повному насиченні породи водою ωп.об<Р.
Часто для оцінки водонасичення породи в природному заляганні використовують такий
Часто для оцінки водонасичення породи в природному заляганні використовують такий
ωе = kвн ωп; kвн = VВ/VП, (5.5)
де:
kвн – коефіцієнт водонасичення, що визначає ступінь насичення породи водою;
Vв и Vп – відповідно об'єми води і пор в породі.
Важливою характеристикою водовмісної гірської породи, при механічному впливі на неї є здатність віддавати воду (водовіддача). Багато порід, що містять фізично зв'язану воду, при будь-яких механічних впливах вельми важко віддають її. Прикладом тому є леси, пливуни, тобто породи, що складаються з дуже дрібних частинок. Встановлено, що розмір мінеральних часток і пор, а також взаємне розташування пор сильно впливають на величину водовіддачі. При слабкій водовіддачі порід знижується продуктивність механічної і гідравлічної розробки родовищ, дроблення корисної копалини, її транспортування.
Деякі особливості фізико-хімічного стану рідин і газів в масиві порід
Мінеральне
Деякі особливості фізико-хімічного стану рідин і газів в масиві порід
Мінеральне
З'єднуючись з пластовою водою при гідростатичних тисках до 250·105 Па і температурах до 300 К, газ переходить в твердий стан. При однакових тисках газогідратний поклад містить в кілька разів більше газу (до 220 об'ємів), ніж звичайний. Фізична характеристика газогідратного покладу різко відрізняється від фізичної характеристики звичайної газової поклади. Наприклад, електропровідність такої поклади набагато нижча, ніж звичайної, що з практичної точки зору може бути корисним при розробці нових методів інтерпретації геофізичних характеристик, з метою виявлення газогідратних покладів у земній корі. Встановлено, що процес формування газогідратного покладу може супроводжуватися значним зниженням пластового тиску (нижче гідростатичного), скороченням розмірів поклади, що може привести до збільшення її розмірів в разі підтікання газу та води. Газогідратні поклади можуть розміщуватися в районах вічної мерзлоти і під дном Світового океану.
При будівництві підземних споруд (стволів шахт, тунелів метро, сховищ і т.д.)
При будівництві підземних споруд (стволів шахт, тунелів метро, сховищ і т.д.)
Пливунами називають водонасичені піски і супіски, здатні під впливом механічних впливів розпливатися і текти разом з водою. Водонасичені піски і супіски, здатні під впливом механічних впливів розпливатися і текти разом з водою, бувають несправжні та істинні.
Несправжні пливуни – чисті водоносні піски, які при втраті води втрачають здатність пересуватися, але другий різновид пливунів (істинних) містить колоїди, що володіють високою стабільністю, які роблять ґрунт легким до підйому.
Істинні пливуни– середовище проживання мікробів, продукти життєдіяльності які (газ) насичують ґрунт. Пливун на глибині затиснутий гірською породою, і тому рухатися йому нікуди, але в тому випадку, коли пливуна доторкнулась виробка, він починає рухатися в простір виробки з досить великою швидкістю. Бульбашки газу, що оточують з усіх боків частки ґрунту, зменшують тертя, створюючи таким чином своєрідну повітряну подушку. На підставі цього відкриття розроблено нові методи боротьби з пливунами, які припиняють життя мікроорганізмів і дають вихід газу. Для цих цілей використовують речовини, які утворюють у землі з'єднання, що вбивають мікроорганізми (вугілля, житнє борошно, солома, коагулянти, гашене вапно), іноді ефективне пропускання електричного струму через пливун.
ЛЕКЦІЯ 8
Метаноєність вугілля
Особливі випадки виділення газу з вугілля
Великий об'єм
ЛЕКЦІЯ 8
Метаноєність вугілля
Особливі випадки виділення газу з вугілля
Великий об'єм
Газоносність або газонасиченість – кількість газів, що містяться в масовій або об'ємній одиниці гірської породи у вигляді вільних і сорбованих газів. Зазвичай газоносність вимірюється в м3/т або м3/м3. Розрізняють газоносність потенційну, природну і залишкову.
Потенційна газоносність визначається, виходячи зі зміни газоємності породи в лабораторних умовах в залежності від тиску газів, температури, вологості породи, наявності зовнішнього тиску та ін.
Природна газоносність визначається прямим методом, тобто шляхом відбору зразків керногазозаборниками зі збереженням газів, що виділилися з кернів і подальшого його вилучення при температурі, що збільшується, застосування вакууму і при подрібненні породи. Природна газоносність на сучасних глибинах розробки вугільних пластів становить в середньому 12 – 17 м3/т, а в окремих випадках – 80 м3/т.
Потенційна газоносність визначається, виходячи зі зміни газоємності породи в лабораторних умовах
Потенційна газоносність визначається, виходячи зі зміни газоємності породи в лабораторних умовах
Природна газоносність визначається прямим методом, тобто шляхом відбору зразків керногазозаборниками зі збереженням газів, що виділилися з кернів і подальшого його вилучення при температурі, що збільшується, застосування вакууму і при подрібненні породи. Природна газоносність на сучасних глибинах розробки вугільних пластів становить в середньому 12 – 17 м3/т, а в окремих випадках – 80 м3/т.
Залишкова газоносність визначається шляхом відбору зразків безпосередньо в шахті з глибини масиву в місці відслонення пласта, на виході очисного забою або виробок виїмкової поля і подальшої їх дегазації в лабораторних умовах. Наприклад, залишкова метаноємність вугілля різна і залежить від ступеня метаморфізму вугілля, коливаючись в межах 1,7 – 12 м3/т для вугілля Донбасу.
Газообільність - кількість газу, що виділився в гірничі виробки на
Газообільність - кількість газу, що виділився в гірничі виробки на
За газообільністю вугільні пласти поділяють на чотири категорії: I категорія – до 5 м3 метану на одну тону добутого вугілля, II категорія 5 – 10 м3/т, III категорія 10 – 15 м3/т і IV категорія (надкатегорійні пласти) – понад 15 м3/т. З поглиблення гірничих робіт кількість метану, що виділяється з вугільних пластів, збільшується.
Вміст газу в вугіллі складається з двох складових: сорбованого газу, пов'язаного з вугіллям сорбційними силами, і вільного газу, що заповнює пори і тріщини. Щоб отримати повний фільтруючий об'єм пустот в вугіллі, слід підсумувати об'єм пор, одержаний методом ртутної порометрії, і об'єм тріщин (тріщинну ємність), отриману при дослідженні аншліфів (аншліф - препарат для петрографічних досліджень у відбитому світлі з використанням рудного мікроскопа).
На викидонебезпечних пластах в якості основного, а в деяких випадках і єдиного заходу, що забезпечує безпеку робітників при виїмці вугілля в нішах і проходці підготовчих виробок є вибухові роботи по вугіллю в режимі струсного підривання. Цей метод забезпечує відбій вугілля на задану величину відходу забою і безпечне подальше прибирання відбитої гірничої маси.
Відхід від викиду не означає ліквідацію небезпеки, оскільки створюється ситуація,
Відхід від викиду не означає ліквідацію небезпеки, оскільки створюється ситуація,
За визначенням раптовий викид вугілля і газу - самовільне миттєве руйнування частини вугільного пласта поблизу забою гірничої виробки, що супроводжується відкиданням вугілля, посиленим газовиділенням, яке відбувається при різкій зміні напруженого стану насиченого газом вугілля або в результаті скидання тиску газу на площині забою. Схильність вугільного пласта, солі або породи (зони ділянки), шахтопласта, що вміщають породи, родовища в цілому до раптових викидів вугілля, солі або породи і газу називають викидонебезпечністю. Цю властивість встановлюють на підставі статистичних досліджень частоти і тяжкості раптових викидів на діючих шахтах або виходячи з прогнозу викидонебезпечності.
Раптові викиди в більшості випадків відбуваються в пластах, складених повністю або частково вугіллям високого ступеня порушеності. Тому при встановленні особливостей вугілля, небезпечних за раптовими викидами, розглядають структуру тектонічно порушеного вугілля. Важлива особливість вугілля порушеної структури - сильне подрібнення і підвищена швидкість виділення газу з диспергованого вугілля. Вугілля порушеної структури поблизу виробки представляє собою систему, що відрізняється малою міцністю, великим вмістом вільного газу і великою швидкістю виходу газу з сорбованого стану.
Раптовий викид умовно поділяють на три фази:
1 – раптове руйнування і
Раптовий викид умовно поділяють на три фази:
1 – раптове руйнування і
2 – відкид вугілля від поверхні забою в виробку (цьому сприяє велика кількість газу, що виділяється під тиском). Мала газопроникність цього вугілля призводить до того, що швидкість руйнування і зрушення вугілля в початковій фазі перевищує швидкість падіння тиску газу в фільтруючому об'ємі пор і тріщин.
3 – підвищена швидкість виділення газу з вугілля полегшує утворення потоку вугілля, зваженого в газі.
Вугілля з небезпечних за раптовими викидами пластів практично не відрізняється
Вугілля з небезпечних за раптовими викидами пластів практично не відрізняється
Процес газовиділення в часі условно можна розділити на три фази:
1
Процес газовиділення в часі условно можна розділити на три фази:
1
Способи боротьби з проявами раптових викидів вугілля і газу
Важливими і актуальними
Способи боротьби з проявами раптових викидів вугілля і газу
Важливими і актуальними
Вивчення гірничо-геологічних умов, газодинамічних режимів і фізико-механічних властивостей газоносних вугільних пластів дозволяє отримувати комплексні характеристики викидонебезпечності на горизонтах, що розроблюються, дозволяє також передбачати в проектах розтину і підготовки викидонебезпечних пластів найбільш раціональні та безпечні системи і застосовувати в процесі розробки ефективні захисні заходи.
Комплекс заходів, пов'язаних із запобіганням небезпечних газодинамічних явищ (раптовий викид, гірський удар), складається з технологічних і фізичних заходів, фізико-хімічного впливу.
Технологічні заходи включають вибір систем розробки, техніки і технології виїмки вугілля,
Технологічні заходи включають вибір систем розробки, техніки і технології виїмки вугілля,
Фізичні заходи спрямовані на ліквідацію факторів, що обумовлюють раптовий викид. Найбільш широке застосування знайшов метод дегазації вугільного пласта, який полягає в бурінні з боку штреку випереджаючих свердловин і зволоженні вугільних пластів. Нагнітання води здійснюють під тиском Рg=(0,8÷0,85)⋅γобН, що забезпечує видалення газів і підвищення тріщинуватості пласта.
Застосування струсного підривання забезпечує безпеку робіт відповідно до діючих Єдиних правил безпеки при вибухових роботах. Вибухові роботи з дотриманням вимог струсного підривання застосовуються при гідровибуховій відбійці викидонебезпечного пласта (називається пластовим торпедуванням) і при передовому торпедуванні - позапластовим. Застосовують іноді камуфлетне підривання, яке призводить до розтріскування масиву і відповідно - до збільшення газовіддачі.
Тепловий вплив включає дві стадії: першу - в свердловину нагнітають
Тепловий вплив включає дві стадії: першу - в свердловину нагнітають
Фізико-хімічний вплив здійснюють з метою зміцнення вугільного пласта і консервації вільного метану в ньому, або зниження кількості метану в пласті. Зміцнення здійснюють шляхом нагнітання в пласт мочевиноформальдегідної або інших смол. Кількість метану можна знижувати шляхом нагнітання в пласт розчину, насиченого бактеріями, що пожирають метан.
Фізико-хімічні методи управління газо- і водопроникністю вугільних пластів і породних масивів.
Фізико-хімічні методи управління газо- і водопроникністю вугільних пластів і породних масивів.
Обводненість масивів гірських порід є негативним явищем, що викликає зниження несучої здатності порід. Керуючи фільтраційними характеристиками масивів, вдається з високою ефективністю в процесах водоосушення змінювати, наприклад, міцність гірських порід і їх стійкість.
Солянокислотна обробка застосовується для розширення тріщин і утворення каналів вилуговування в карбонатних породах. Кислота, яку нагнітають в свердловину, вступає в хімічну реакцію з породами, поширюючись на глибину до 4-х метрів. З метою збільшення глибини проникнення кислотних розчинів додають окислювач або оцтову кислоту - речовини, що уповільнюють реакцію нейтралізації. Використання цього методу дозволяє збільшити дебіт свердловини в 20-30 разів.
Гідравлічний розрив пласта. Ідея цього методу полягає в нагнітанні в пласт в'язкої рідини, що містить крупнозернистий пісок. Як в'язку рідину найбільш широко використовують соляну кислоту, водний розчин сульфіту спиртової барди та ін. Досягнувши деякого тиску, рідина розриває пласт, при цьому разом з рідиною в пласт надходить і пісок. Після припинення подачі рідини тиск, що діє з її боку на пласт, падає. При цьому закриття тріщин не відбувається, тому що пісок, що заповнив їх, перешкоджає змиканню тріщин.
Торпедування свердловин. Метод полягає у підриванні спеціальних зарядів вибухових речовин, розміщених
Торпедування свердловин. Метод полягає у підриванні спеціальних зарядів вибухових речовин, розміщених
Торпедування великими зарядами Для максимального збільшення проникності пластів міцних порід використовують вибухи зарядів масою до кількох тонн. Заряд вибухової речовини розміщується по довжині свердловини, досягаючи іноді 50-80 м. Цей метод має ряд недоліків, пов'язаних з тим, що вибух незалежно від матеріалу затрубного простору, руйнує трубу, засмічуючи її осколками породу, прилеглу до свердловини, руйнує заглинізованну ділянку породи, що прилягає до ствола. Торпедування обсаджених ділянок свердловини великими зарядами має застосування у виняткових випадках.
Розрив пласта тиском порохових газів. Спосіб заснований на генеруванні безпосередньо в свердловині високого тиску, необхідного для задавлювання в пласт порції газорідинної суміші через канали перфорації або тріщини, з метою створення мережі незмикаючих тріщин в породному масиві. Розрив пласта здійснюється при досягненні тиску, рівного гірському тиску або трохи вище його.
Електроосмос. Використовується для підвищення водопритоку в породах, що мають низький коефіцієнт фільтрації, а, отже, і мають низьку водовіддачу. ТВ зв'язки з цим метод доцільно застосовувати в глинистих породах, пливунах, мулі, у яких kф<0,1 м/доб (kф – швидкість або коефіцієнт фільтрації). Фізична сутність методу полягає у впливі постійного електричного поля на ділянку масиву породи.
Способи знеміцнення порід
Констатуємо той факт, що зі збільшенням вологості зменшується
Способи знеміцнення порід
Констатуємо той факт, що зі збільшенням вологості зменшується
В пласт вугілля через шпури або свердловини нагнітається під тиском вода, яка, поширюючись по площинах нашарування і тріщин, підвищує рівень тріщинуватості і одночасно знижує міцність вугілля. Зниження міцності вугілля на 30-40% збільшує продуктивність очисних комбайнів, до 90% знижує запиленість атмосфери підземних виробок і збільшує крупність фракцій вугілля при відбійці.
Використовуючи закономірності руху рідин і газів в поровому просторі, розрахунки дії води зі знеміцнення (або суміші води з поверхнево-активними речовинами) здійснюють з урахуванням вологості гірських порід і коефіцієнта фільтрації.
Способи закріплення порід
У технологічних процесах гірничого виробництва поряд з використанням методів
Способи закріплення порід
У технологічних процесах гірничого виробництва поряд з використанням методів
Тампонаж. Метод полягає в нагнітанні через свердловини в масив порід під тиском тампонажного розчину. Витісняючи воду з пор, пустот і тріщин, тампонажний розчин заповнює їх і пізніше твердне. Практично до нуля знижується проникність порід. Завдяки утворенню нових твердих фаз, які заповнили поровий простір породи, досягають ефекту зміцнення закріплюваного масиву в цілому. Властивості тампонажного розчину в стані затверділого каменю (тампонажного каменю) характеризують здатність їх протистояти проявам гірського і гідродинамічного тиску. Основні параметри тампонажного каменю: водопроникність, міцність і стійкість проти впливу агресивних вод.
Тампонажні розчини – суспензії, рідкі системи або суміші в'язкої речовини з водою. Залежно від застосовуваних в'яжучих речовин і компонентів, що входять до них розрізняють такі тампонажні розчини як цементні, цементно-піщані, глиноцементних, глино-цементно-піщані, силікатні і розчини, складені на основі синтетичних смол.
Хімічний вплив. Цей метод полягає в тому, що в породу нагнітають
Хімічний вплив. Цей метод полягає в тому, що в породу нагнітають
Процес хімічної взаємодії рідкого скла і хлористого кальцію називають силікатизацією, яка широко застосовується для закріплення середньозернистих щільних порід, що мають kф=5–80 м/сут. Не піддаються силікатизації пливуни, глини, мули.
Лесові породи, що містять сірчанокислі солі (які замінюють розчин хлористого кальцію) закріплюють шляхом нагнітання колоїдного розчину силікату натрію.