Способ предотвращения выбросов угля и газа при вскрытии угольного пласта Советский патент 1993 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при вскрытии выбросоопасных угольных пластов.

Известен способ вскрытия выбросоо- пасного угольного пласта квершлагом, включающий бурение скважин, полностью пересекающих по одную толщу и пласт, и нагнетание в пласт рабочего агента (воды с добавками полиакриламида) через скважины до максимально заданного давления с последующим сбросом давления и выпуском рабочего агента с разрушенным углем из скважин. При этом нагнетание и выпуск агента повторяют по прекращения выхода разрушенного угля.

Недостатком известного способа является необходимости установки металлического каркаса после выполнения работ по гидродинамическому воздействию на пласт для поддержания нависающего породного массива в разрушенной зоне, которая превышает на 4-8 м пределы контура вскрывающей выработки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является спо:об предотвращения выбросов угля и газа, ЕКЛЮЧЭЮЩИЙ бурэние скважин через породную толщу в массив угля и нагнетание в них рабочего агента. Нагнетание рабочего агента ведут в два этапа, при этом на первом этапе в скважины нагнетают 20-50%-ный раствор лигносуль- фонатов, а затем известковую суспензию, содержащую не менее 20 мас.% гидрата окиси кальция.

Недостатком способа по прототипу является необходимость установки облегченной металлической каркасной крепи как средства предотврашзния обрушения неустойчивых боковых пород в зоне обработанного рабочим агентом массива угля, оконтуренного 8-ми метровой полосой за контуром вскрываюшей выработки. При низких температурах i: зимнее время вязVI

со Ю О

ю о

CJ

кость концентрата сульфато-дрожжевой бражки марки КБЖ весьма высока и возникают сложности с его дозировкой.

Целью изобретения является способ предотвращения выбросов угля и газа при вскрытии угольного пласта за счет управления выбросом как квантово-механическим явлением путем образования запирающего слоя в метановых пленках угольного пласта и изменения его электрических свойств.

Поставленная цель достигается тем, что в способе предотвращения выбросов угля и газа при вскрытии угольного пласта, включающем бурение скважин через породную толщу в массив угля, формирование рабоче- го агента и нагнетание его в породу и уголь, перед нагнетанием производят формирование рабочего агента путем введения в воду примесных добавок, в качестве которых используют фосфор или другие элементы V группы таблицы периодической системы Д.И. Менделеева в количестве не менее 2 л раствора примесных добавок на 1 м воды, после чего раствор перемешивают до достижения однородной концентрации.

Физические принципы действия предлагаемого способа предотвращения внезапных выбросов угля и газа основаны на рассмотрении явления выбросов с точки зрения квантово-механического явления, проявления электронных свойств пласта, туннельных эффектов (подбарьерные переходы). Воздействуя на свойства выбросоо- пасного пласта как квантового генератора, с помощью специальных добавок, возмож- но осуществить принципиально новый способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа на основе предупреждения десорбции метановых пленок в пласте путем управления фазовым переходом в электрон- ной структуре метановых пленок на стенках пор угольного пласта. Внезапные выбросы можно представить в виде макроскопических квантовых явлений и объяснить их ме- занизм на основе взаимодействия электро- нов.

В угольных пластах основное количество газа находится в сорбированном состоя- нии: преимущественно в виде раствора в твердом веществе (абсорбция), в сгущенном виде на поверхности пор (адсорбция) и конденсированном в надмолекулярных порах. Основной объем пор, а, следовательно и газа, обусловлен молекулярными порами размерами в несколько ангстрем, т. е. равными размерам молекул газов. При этом выбросоопаснбсть угольных пластов не связана с молекулярными (диаметр входных отверстий менее 1 мм), фольмеровскими(1-10 Нм)или кнудсеновскимиО,1(102-103) Нм порами, а является характерной для углей с пустотами, имеющими размер входных отверстий в интервале 10 -10 м,

Угольный пласт является твердым мета- ноугольным раствором, в котором нет стере- орегулярной решетки. К системе метан - ископаемый уголь, существующей в угольных пластах, применимо представление о твердом растворе внедрения, в котором внедренные молекулы метана занимают как междоузлия в кристаллитах, так и зияния между контактами частиц в аморфной части угля.

Вещество угля в пласте можно представить в виде пространственного полимера, структурной единицей которого является плоская гексагональная атомная сетка циклически полимеризованного углерода с боковымицепями линейно полимеризованного углерода, несущими разнородные радикалы и боковые группы. Структуру макромолекулы угля можно рассматривать как конденсированную ароматическую решетку с атомами углерода в вершинах, окруженную как бы бахромой молекул боковых групп. Расстояние между сложными пачками параллельных пластин слоев макромолекул, связанных поперечно кислородом или водородом, уменьшается с ростом степени метаморфизма угля. Исследования показывают, что уголь выбросоо- пасных пластов представлен жидкоподобной глобулярной структурой и является полупроводником, в котором увеличивается степень подвижности структурных элементов и среднестатическое расстояние между слоевыми макромолекулами, а также возрастает число свободных радикалов. Гомополярная решетка угля определяется силами притяжения и отталкивания между атомами соответствующих минимуму потенциальной энергии системы. Конденсированные ароматические молекулы можно рассматривать как проводящую среду толщиной около 3,2 х 10 см, что соответствует сфере воздействия электронов перпендикулярно поверхности молекулы. Расстояние между экваториальными плоскостями молекул в молекулярной решетке составляют (4,4 - 3,5) см, так что электроны могут проскочить остающийся промежуток около 0,25 х см между параллельными слоями макромолекул угля. Более точная картина получится, если предположить, что молекулы угля являются пластинами плоского конденсатора. Проход одного электрона через энергетический барьер (на расстояние 0,25 х см) может

быть сравнен с зарядкой конденсатора на величину одного электрона и требует энергии примерно 0,23 эВ, что соответствует в действительности для угля как полупроводника.

Уголь обладает огромным диапазоном размеров пор (от величин порядка 10 см до размеров трещин видимых невооруженным глазом, т. е. порядка см) и нежесткостью скелета образующего поры. Причем, установлена эффективная толщина поровой стенки 3,7 х 10 см и слоясорбци- онного газа 3,5 х 10 см при диаметре молекулы метана 4,14 х см. На этой основе сделан вывод о том, что метан, по всей вероятности, располагается на угле в большинстве случаев мономолекулярным слоем, в виде пленки. Для объяснения процесса внезапных выбросов на базе изучения физических явлений в таких чрезвычайно малых пространственных областях пласта требуется использование принципов квантовой физики, так как будут существенными электромагнитные взаимодействия.

Электроны в укэзанныхусловиях подчиняются законам волнового движения в межатомных расстояниях в решетке угольного пласта. Известно, что он насыщен сорбированным метаном в оезультате сильного сжатия и разложения угольного вещества без доступа воздуха под давлением толщи покрывающих пород. В пластах, находящихся под влиянием земного магнетизма, внезапные выбросы угля и газа сопровождаются высокочастотными колебаниями, подтверждаемыми сейсмоакустическими наблюдениями, Все это позволяет рассматривать внезапные выбросы угля и газа как проявление плазменных эффектов, как пример проявления плазменной волны в твердом теле, плазменного потока, генерируемого возмущением волны, Открытие в Красноярском крае Мессояхского месторождения с твердыми кристаллогидратами метана, использование свойств жидких кристаллов подтверждают не только гипотезу о новом состоянии метана но и позволяют высказать предположение о том, что в тонких пленках сорбированного в угле метана могут происходить та сие процессы и фазовые переходы, как и в жидких кристаллах, что обусловливается Физикой этой пленки на поверхности слоя угля.

Наличие метана в недрах земли в различных модифика :иях и возможность его перехода из одной формы в другую указывают на полиморфные превращения в метане, характер которых скачкообразен и необратим. В метане имеет место электронная перестройка, в результате которой уменьшаются межатомные расстояния, изменяются структура и физико-механические свойства пласта, разрушается уголь и выносится газовым потоком в выработку в процессе выброса. Кроме того, пласт, подавляющее большинство массы которого составляет углерод, обладает полупроводниковыми свойствами. На основании этого

0 такой угольный пласт в момент выброса следует рассматривать как макроскопическую квантовую систему, характеризующуюся специфическим распределением электронов по импульсам.

5 Проблема состоит в том, чтобы описать фазовый переход как свойство природы, при котором происходит конденсация электронов в узкой .полосе импульсов вблизи поверхности Ферми, характеризующей уро0 вень энергии электронов, что в конечном счете приводит к скачкообразному изменению микроскопических свойств системы - и внезапному выбросу угля и газа из пласта. Явление внезапных выбросов объясняется

5 взаимодействием электронов в угле и мета- новых пленках, разделяющих слои угля. Здесь происходит эффективное притяжение между электронами путем обмена виртуальными частицами - экситонами или

0 электронно-дырочными парами. Спаривание (согласованное движение) электронов характеризует особое состояние пласта в момент развязывания выбросов. Оно должно характеризоваться некоторой длиной ко5 герентности, ее смысл заключается в том, что любые возмущения, возникшие в какой- либо точке выбросоопасного пласта, обязательно сказываются на свойствах сверхтекучих электронов, находящихся на

0 расстоянии порядка или меньше от этой точки.

Можно предположить, что выбросоо- пасное состояние пласта отличается от нор- мального наличием дополнительных

5 корреляций между электронами - спариванием в результате их взаимодействия. В спектрах возбуждения электронов существует энергетическая щель, отделяющая сверхтекучие электроны от нормальных.

0 Выброс угля и газа как раз и возникает после появления сверхтекучести электронов выше энергетической щели и характеризуется волновой функцией, соответствующей определенному состоянию движения час5 тиц, участвующих в этом выборе. При подходящих условиях волновая функция в особом состоянии пласта при выбросе когерентна не только в различных слоях и прослойках угля по отдельности, но и во всей системе в целом. Хотя энергия конденсации

в метановой пленке мала, ее оказывается достаточно, чтобы сфазировать электронные пары в соседних слоях угля, т. е. заставить их колебаться с одинаковой частотой. Между слоями могут возникать туннельные эффекты (подбарьерные переходы). Тунне- лирование электронов через барьер рассматривается как возмущение в системе, состоящей из двух изолированных метановой пленкой подсистем (слоев угля), между которыми туннелирование не происходит. На возникновение особого состояния, приводящего к выбросам угля и газа из пласта, очень влияют многие причины и даже магнитные поля земли и луны. Резонансное туннелирование может произойти, если в области электрического барьера находится адсорбированная частица, примесной атом и молекула, с которыми электрон может образовывать связанное состояние. Поэтому ширину запрещенной зоны в выбросоопас- ном пласте можно регулировать путем изменения состава растворов с примесными добавками, нагнетаемых в угольный пласт для его увлажнения. Следовательно, управление внезапными выбросами угля и газа представляется возможным осуществлять на основе регулирования ширины запрещенной зоны путем примесных добавок. Применение такого метода управления внезапными выбросами позволяет разработать простую и эффективную технологию получения и применения необходимых растворов с примесными добавками для нагнетания их в пласт и предотвращения выбросов. При этом также оказывается возможным изменять интенсивность газовыделения из пласта за счет тех же примесных добавок. Создание способа борьбы с внезапными выбросами на основе изложенных идей приведет к коренному изменению существующих способов предотвращения внезапных выбросов, т. е. к научно-технической революции в решении проблемы борьбы с внезапными выбросами угля и газа.

Суть нового способа предупреждения внезапных выбросов угля и газа заключается в возможности изменения электрических свойств запирающего слоя вещества в мета- новых пленках на стенках пор, в изменении свойств поля пласта за счет примесных добавок, образующих запирающий слой, в котором происходят электронно-дырочные переходы, т. е. благодаря новому способу изменения электронных свойств выбросоо- пасного пласта. В этом случае, очевидно, можно управлять скоростью десорбции сорбированного в пленках метана в выбросоо- пасном пласте с использованием примесных добавок. Запертый с их помощью электронно-дырочный переход в ме- тановых пленках между слоями молекул угля по существу является конденсатором и емкость его тоже можно изменять, достаточно лишь повысить или снизить приложенное напряжение и ширина изолированного слоя увеличивается или уменьшается. Соответственно будет изменяться и емкость. Вследствие нагнетания в пласт раствора воды с

0 примесными добавками и расширения пор будет снижаться емкость пор как конденсаторов. Следовательно, будут ухудшаться условия для развязывания выбросрв по мере нагнетания в пласт рабочего агента в

5 определенном режиме.

При внезапном выбросе создаются определенные условия, когда электронные свойства угольных пластов скачкообразно изменяются под влиянием энергии взрыва

0 заряда ВВ при вскрытии пласта в режиме сотрясательного взрывания или при зависании кровли и большом напряжении пород в подготовительном или очистном забое. Внезапный выброс наступает при резонансе,

5 когда собственный период электромагнитных колебаний плазмы пласта совпадает с периодом поглощающего излучения от взрыва заряда ВВ при вскрытии пласта или излучения в виде сотрясения массива от

0 воздействия отбойных молотков или бурового инструмента. В процессе внезапного выброса волна выброса поддерживается в резонансе, поскольку возбуждение непрерывно подводится от возбужденных элект5 ронов угольного пласта.

При вскрытии выбросоопасного пласта в режиме сотрясательного взрывания конструктивно создается специальная система, подобная ускорителю или квантовому гене0 ратору, в котором частица угля и молекулы метана по существу прогоняются через длинную последовательность радиочастотных резонаторов или квантовых генераторов. При этом накачка этих генераторов

5 производится за счет совокупности действия энергии взрыва, горного давления и перепада давления газа, а в ряде случаев и за счет неправильного режима проведения противовыбросных мероприятий.

0 Полученные институтом МакНИИ еще 15 апреля- 1961 г. осциллограммы упругих колебаний в массиве и ударов частиц угля по экранам при выбросе угля на пласте Де- резовка гор. 645 м шахты Красный Про5 финтерн (Донбасс) показали, что интенсивный выброс на этом пласте после сотрясательного взрывания характеризовался наличием подготовительного периода (т. е. накачки энергетических уровней электронов в пласте), продолжавшегося более 8

с, выносом угля в выработку отдельными стадиями, продолжительностью 1,6-2,5 с, с перерывом между первыми двумя стадиями в 6,1 с. Анализ этих экспериментальных данных показывает, что вынос частиц угля в выработку начался через 8,82 с, после взрывания, т. е. после накачки электронных уровней вещества пласта за счет энергии взрыва заряда ВВ. Этотже выброс свидетельствует о наличии импульсного излучения пласта, находящегося в особом возбужденном состоянии, аналогичному явлению сверхпроводимости или сверхтекучести.

Способ осуществляется следующим образом.

Бурят скважины через породную толщу и угольный пласт и через них нагнетают в пласт воду с примесными добавками для изменения электронных свойств пластов и предупреждения развязывания выброса за счет ослабления слоев Рп-пёреходов и подбарьерных переходных процессов в ме- тановых пленках на стенках пор угольного пласта. Перед нагнетанием рабочего агента производят формирование последнего в специальной емкости или в приспособленной для этого шахтной вагонетке, верх которой заварен листовым железом (с люком), а в нижней части приварены два штуцера.

Приготовление раствора производят следующим образом.

При использовании фосфора добавляют его в воду из расчета 2 л раствора фосфора на 1 м3 воды. Растворы перемешивают сжатым воздухом или механическим способом до достижения однородной концентрации. Нагнетание рабочего агента в пласт производят под давлением не более 0,5 у Н (где у - средняя плотность пород, г/м ; Н - глубина залегания пласта, м), не превышаю- щего давления гидроразрыва пласта и достаточного для насыщения массива в зоне обработки примесных добавок не менее (3-5) х 1018смЧ На одно вскрытие необходимо примерно 8 MJ рабочего агента, что примерно потреб ет 5 смен для нагнетания рабочего агента в пласт.

При нагнетании в пласт воды с примесными добавками стабилизируется состояние связанного в пленках метана за счет снижения емкости пор пласта как конденсатора и уменьшения транзисторного эффекта при воздействии на пласт энергии взрыва заряда при сотрясательном взрывании в момент вскоытия пласта. После импульса в виде взрыва ВВ, осадки кровли или перепада газового давления выбросоопасный слой становится активной средой для развязывания выброса. В этом случае спокойная, или

самопроизвольная рекомбинация электронов и дырок, происходящая в тонком слое Pn-перехода в метане или угле представляет совокупность не связанных между собой случайных процессов, и поэтому в начальной стадии выброса излучается беспорядоч- ный поток фотонов, вылетающих из Pn-перехода во всех направлениях. При этом часть фотонов случайным образом испускаться вдоль Pn-перехода, тонкий слой которого играет роль волновода, так как его толщина сравнима с длиной излучаемой волны. Эти фотоны, распространяясь вдоль слоя, в силу очень большой концентрации в нем электронов и дырок, будут индуцировать на своем пути много фотонов. Индуцированные фотоны являются точной копией первичных фотонов, их порождающих, и распространяются в том же направлении, что и первичные, и к тому же находятся с ними в одной фазе. Благодаря этому будет происходить усиление возбуждения активной среды выбросоопасного пласта: Рп-пе- реход является в этом случае квантовым усилителем. Увеличение интенсивности возбуждения среды в пласте сопровождается при этом и некоторым сужением спектра частот возбуждения. В дальнейшем за счет многократного прохождения фотонами области перехода и увеличения перепада пластового давления метана, возбуждение активной среды достигает порога, после ко- торого наступает режим генерации, когда узкие слои Pn-переходов становятся источником электромагнитного излучения, разрушающего нормальное состояние связанного в пленках метана. Это в дальнейшем приводит к скачкообразному выде- лению свободного метана из сорбированного состояния и обусловливает дальнейшее развязывание выброса. Толщина слоя Pn-перехода обычно не более микрона, поэтому выходящий из него луч излучения очень узок. Он должен был бы иметь веерообразный характер. Однако, обычно излучает не вся граница Рп-перехо- да метана с углем, а только несколько горячих пятен на ней. Это означает, что генерация происходит только вдоль нескольких нитей, проходящих через слой. Благодаря малому размеру горячих пятен дифференциальная расходимость светового пучка полупроводникового квантового генератора угольного пласта значительно большая, чем в газовом или рубиновом лазере. Она определяется рабочей или эффективной шириной РП-СЛОЯ.

При нагнетании в пласт водных растворов с примесными добавками происходит образование запирающего слоя электронов

в пленках метана на стенках пор угольного пласта и снижение склонности пласта к выбросам.

Добавка в раствор фосфора или других элементов V группы таблицы периодической системы Д.И. Менделеева облегчает процесс стабилизации агрегатного состояния связанного в пленках метана и предотвращает десорбцию-., метана из-за воздействия импульса взрыва заряда ВВ при вскрытии пласта, тем самым предотвращает развязывание выброса в зоне вскрытия пласта.

Путем регулирования добавок примесей в пласте оказывается возможным снижать склонность пласта к выбросам за счет усиления или ослабления слоев Рп-перехо- дов в зависимости от физико-механических свойств пластов и тем самым управлять электронными свойствами пластов и предотвращать выброс угля и газа из пласта.

Применение предлагаемого способа изменяет электронные свойства угольного пласта в сторону снижения выбросоопасно- сти: связанное состояние метана стабилизируется и уменьшается вероятность перехода метана из связанного состояния в пленках на стенках пор в свободное состояние после воздействия на пласт энергии взрыва заряда ВВ в момент сотрясательно- го взрывания при вскрытии пласта, что приводит к повышению безопасности горных работ.

Применение предлагаемого способа позволяет одновременно улучшить условия

труда и снизить стоимость работ по вскрытию пласта за счет применения только операций по бурению скважин через породную толщу (с их обсадкой и установкой арматуры) и нагнетания через скважины в пласт

рабочего агента с примесными добавками для предотвращения выброса угля и газа. Формула изобретения Способ предотвращения выбросов угля и газа при вскрытии угольного пласта, включающий бурение скважин через породную толщу в массиве угля, формирование рабочего агента и нагнетание его в породу и уголь, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности предотвращения выброса угля и газа за счет управления им, как квантово-механическим явлением, путем образования запирающего слоя в ме- тановых пластах угольного пласта и измене- нйя его электрических свойств, при

формировании рабочего агента в воду вводят примесные добавки, в качестве которых используют фосфор или другие элементы V группы в количестве не менее 2 л раствора примесных добавок на 1 м3 воды, после чего

р.аствор перемешивают до достижения однородной концентрации.

Изобретение позволяет предотвратить внезапный выброс угля и газа за счет образования запирающего слоя в угольном пласте с помощью примесных добавок, изменяющих электронные свойства пластов. В скважины нагнетают рабочий егент, который готовят путем добавления в воду примесных добавок, в качестве которых используют фосфор или другие элементы V группы таблицы периодической системы Д.И. Менделеева в количестве не менее 2 л раствора на 1 м воды.