Численное моделирование процесса разгрузки углепородного массива Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗГРУЗКИ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА

Алексей Алексеевич Зиновьев

Новосибирский Государственный Университет, 630090, ул. Пирогова, 2, магистрант, (913)4770008, e-mail: [email protected]

Андрей Владимирович Патутин

Институт горного дела СО РАН, 630060, ул. Зеленая Горка, 3, аспирант, (383)335-96-42, email: [email protected]

Сергей Владимирович Сердюков

Институт горного дела СО РАН, 630060, ул. Зеленая Горка, 3, доктор технических наук, заведующий лабораторией, (383)3359642, e-mail: [email protected]

В работе представлены результаты математического моделирования щелевой разгрузки углепородного массива. Приведено сравнение эффективности разгрузки массива различными схемами расположения щелей. Показано что наилучшие результаты достигаются при образовании длинных трещин/щелей вдоль угольного пласта. Так же представлен подход для оценки дополнительной добычи метана основанный на экспериментальных характеристиках горных пород и результатах математического моделирования.

Ключевые слова: моделирование, FLAC, дегазация, разгрузка массива, метан угольных пластов.

NUMERICAL SIMULATION OF COAL MEASURE ROCKS STRESS-RELIEF

Alexey A. Zinovyev

Novosibirsk State University, 630090, Pirogova st., 2, undergraduate, (913)4770008, e-mail: [email protected]

Andrey V. Patutin

Institute of Mining SB RAS, 630060, Zelenaya Gorka st., 3, post graduate, (383)3359642, e-mail: [email protected]

Sergey V. Serdyukov

Institute of Mining SB RAS, 630060, Zelenaya Gorka st., 3, Dr. Sci., head of laboratory, (383)3359642, e-mail: [email protected]

Results of mathematical modeling of coal measure rocks stress relief presented. Comparison of the effectiveness of various combinations of stress relief slots is given. It is shown that the best results are achieved by formation of long horizontal fractures/slots along the strike of the coal seam. The effect of pressure on the crack propagation stability in a complex stress state is shown. Also, it is presented the method to evaluate the additional methane production based on the experimental rocks characteristics and the results of mathematical modeling.

Key words: modeling, FLAC, degassing, stress relief, coal bed methane.

Для обеспечения безопасности ведения горных работ и предотвращения внезапных выбросов газа в настоящее время большое внимание уделяется усовершенствованию технологий дегазации угольных пластов.

Неразгруженный угольный пласт обладает низкой газоотдачей. Для увеличения эффективности процесса дегазации необходимо обеспечить разгрузку максимального объема массива. Для достижения этого, а так же с целью соединения естественных трещин со скважиной производится гидравлический разрыв пласта угля. Использование последнего в отличие от щелевой разгрузки приводит к охвату большого объема массива горных пород.

Формирование трещин гидроразрыва обеспечивает образование в углепородном массиве участков частичной разгрузки от горного давления, в которых происходит десорбция метана. Интенсивность выделения газа зависит как от степени разгрузки угольного массива, так и от свойств пород.

При этом возникает задача оптимизации расположения плоскостей гидроразрыва в углепородном массиве.

Цель данной работы заключалась в определение наиболее эффективной схемы разгрузки напряженного состояния массива для добычи углеметана. Для достижения данной цели в работе ставились следующие задачи. Разработать модель углепородного массива реалистично передающую основные особенности и характер поведения пород при нагружении. Используя построенную модель исследовать изменение напряженно деформируемого состояния (НДС) массива под воздействием метода гидроразрыва (щелевой разгрузки). Определить форму, размеры и степень разгрузки дегазируемого объема. Разработать подход расчета дополнительной добычи метана по полученным данным для различных схем разгрузки НДС массива.

Для построения модели углепородного массива была выбрана программа FLAC. Данная программа имеет ряд полезных преимуществ. В частности, изменение прочностных характеристик при нагружении отдельно определяется как для матрицы породы, так и для плоскостей ослабления. Так же возможен выбор различных состояний среды, соответствующих упругому или упругопластическому характеру поведения при нагрузке с учетом деформационного упрочнения (разупрочнения).

При разработке модели углепородного массива за основу был взят разрез, представленный в работе [1], состоящий из горизонтальных слоев известняка, песчаника, сланцев и угля. Прочностные свойства различных типов пород, включенных в модель, были взяты из опубликованных данных по массивам горных породам, вмещающих угленосные толщи [1, 2].

В ходе численных экспериментов оценивались степень и размеры области разгрузки углепородного массива определяющие скорость газовыделения и охват воздействием газоносной толщи пород.

На рисунке 3 приведена типичная зависимость скорости газовыделения газоносных пород от горного давления. В численных экспериментах принято, что газовыделение существенно возрастает там, где напряжения разгружаются до значения 2,0 МПа, и сильно возрастает при разгрузке до 1,2 МПа и ниже. Границы «полезной области» достаточной разгрузки для используемой модели

углепородного массива установлены по уровню минимального сжимающего напряжения 2,0 МПа.

Для разгрузки массива в модель вводились трещины расположенные поперек пласта угля или вдоль пласта угля, а так же трещины расположенные и вдоль и поперек пласта. При этом эффективность применения системы разгрузочных щелей (трещин) различных конфигураций оценивалась путем подсчета площади «полезной области». Таким образом определялись оптимальные параметры трещин (щелей).

На рис. 1 представлены картины распределения напряжений при

образовании в модели разгрузочных щелей различных конфигураций.

Рис. 1. Распределение минимального горизонтального сжатия в модели углепородного массива в присутствии: А) двух десятиметровых вертикальных трещин Б) двух десятиметровых горизонтальных трещин В) десятиметровых вертикальной и горизонтальной трещин разнесенных на расстояние десять

метров

Для сравнения эффективности разгрузки массива различными конфигурациями трещин путем в модели образовывались две трещины на разных расстояниях друг от друга. Длины всех трещин равнялись десяти метрам. Сравнивались две конфигурации: обе трещины вдоль пласта, обе трещины поперек пласта угля. Полученные графики представлены на рис. 2.

Из полученных результатов следует, что добиться необходимой разгрузки угольного пласта и вмещающих пород можно различными комбинациями горизонтальных и/или вертикальных трещин. Наилучшие результаты получены при формировании длинных горизонтальных трещин.

Для оценки влияния разгрузки углепородного массива на его газоотдачу, в частности для прогноза газовыделения в процессе ведения горных работ, применяют специальные методики исследования зависимости скорости

газовыделения от напряженного состояния горных пород и их газонасыщенности.

Рис. 2. Графики зависимости площади разгрузки от расстояния между

трещинами

В работе [3] приведены результаты шахтных исследований по изучению закономерностей газовыделения при разгрузке массива горных пород. С этой целью в различных точках угольного пласта бурились скважины глубиной 1,8 м, в которых герметизировались замерные камеры. Затем на участке бурения измерительных скважин производили разгрузку породного массива путем выбуривания

разгрузочных щелей. После разгрузки массива горных пород скорость газовыделения (дебит метана) из скважин резко возрастала.

Полученная зависимость скорости газовыделения, g, от горного давления, а, газонасыщенной породы приведена на рис. 3.

Применение данного рода измерений в нескольких Рис. 3. Зависимость скорости

испытательных дегазационных газовыделения от напряженного

скважинах позволяет оценить состояния газонасыщенных пород [3]

усредненные зависимости начального удельного метановыделения в

3 2

дегазационную скважину g0, м /(м *сут), и коэффициента темпа снижения газовыделения из дегазационной скважины во времени a, 1/мин, от разгрузки горного давления As. Зависимости g(As) и a(As) могут быть рекомендованы для включения в состав обязательных паспортных данных участка подземной добычи метана, используемых при проектировании работ.

Оценка дополнительной добычи метана от разгрузки массива при известных зависимостях g(As) и a(As), а также результатах численных расчетов пространственных изменений напряженного состояния, дается следующими приближенными выражениями:

T

Qh4 » Sd • f g0 (ASav )• е-a<As~y'dt;

0

ASav = T7 f [S2 < x, У. Z )~S1 < У. Z )] dV ; (1.1)

V <V )

где Sj(x,y,z) и s2(x ,y, z) - соответственно, напряженное состояние дегазируемой области до и после разгрузки массива, Sd - площадь дегазационной системы (поверхность рабочих участков скважин и раскрытых участков трещин), V - объем разгружаемой области, T - время дегазации, Asav -среднее значение разгрузки углепородного массива в объеме дегазируемой области.

Таким образом, оценка увеличения добычи углеметана проводится следующим образом. При помощи численных экспериментов рассчитываются характеристики разгрузки НДС массива. По результатам полевых экспериментов определяются параметры газонасыщенных пород, связывающие интенсификацию газовыделения со степенью разгрузки. С помощью формул (1.1) рассчитывается прогнозная добыча метана в заданный период дегазации для различных возможных схем щелевой разгрузки. Производится оптимизация дегазационных работ путем выбора конфигурации, дающей либо минимальную удельную стоимость добычи метана в заданный период дегазации, либо, обеспечивающей достижение заданного значения коэффициента дегазации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Esterhuizen, G.S., and T.M. Barczak. 2006. Development of Ground Response Curves for Longwall Tailgate Support Design. In: 41st Rock Mechanic Symposium: 50 Years of Rock Mechanics, Golden, 17-21 June, 2006, eds. ARMA. Alexandria, VA: American Rock Mechanics Association.

2. Zipf Jr., R.K. 2005. Failure mechanics of multiple-seam mining interactions. In: 24th International Conference on Ground Control in Mining, Morgantown, 2-4 August, 2005, eds. S.S. Peng et al, 93-106. Morgantown, WV: West Virginia University.

3. Большинский М.И., Лысиков Б.А. Каплюхин А.А. Газодинамические явления в шахтах. Монография. - Севастополь: Вебер, 2003. - 284 с.

© А.А Зиновьев, А.В. Патутин, С.В. Сердюков, 2012