Газодинамическая реакция горных пород при проведении подготовительных выработок Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

I. Промышленная безопасность и геомеханика

М.А. Журавков

д-р физ.-мат. наук, проф.,

заведующий кафедрой, научный руководитель лаборатории Белорусского государственного университета

Г.Я. Полевщиков

д-р техн. наук, проф.,

заведующий лабораторией Института угля СО РАН

УДК 622.411.332:622.831.327

ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Комплексными исследованиями свойств и изменений состояний газоносных горных пород в зонах влияния горных выработок установлены условия и параметры их саморазрушения, определяющие возникновение и развитие динамических газопроявлений. Доказана возможность количественной оценки и контроля уровня газодинамической активности пласта при проведении подготовительных выработок.

Работа выполнена с поддержкой финансирования по международному проекту с Белоруссией РФФИ № 10-05-90001-Бел_а; по интеграционному проекту СО РАН № 61.

Ключевые слова: ГАЗОНОСНЫЙ ПЛАСТ, ВЫРАБОТКА, НАПРЯЖЕНИЯ, ДАВЛЕНИЕГАЗА, ДЕЗИНТЕГРАЦИЯ, УСТОЙЧИВОСТЬ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, УРОВЕНЬ, МЕТАНООБИЛЬНОСТЬ, КОНТРОЛЬ

обеспечивают одновременное рассмотрение динамики реализации газовых потенциалов массива горных пород.

Отметим, что газодинамической реакции углегазоносного массива предшествует его разгрузка от механических напряжений, и чем выше скорость подвигания забоя, тем динамичнее реакции геосреды на технологические возмущения.

Очевидно, что наиболее эффективным инструментарием для решения данной задачи является проведение исследований на основе построения механико-математических и численных моделей с соответствующим им комплексом горноэкспериментальных работ.

>м

Нелинейная геомеханика активно развивается как в России, так и за рубежом. Известными отечественными и зарубежными учеными методами математического и физического

моделирования, шахтными экспериментами исследуется волнообразный характер изменения горного давления при ведении подземных работ.

Но эти методы и подходы не всегда

Математическое моделирование [1]

Все разнообразие механизмов потери несущей способности массива можно свести, в сущности, к следующим трем основным типам:

1. Разрушение как результат исчерпания прочности.

2. Разрушение как результат неустойчивости развития трещины.

3. Разрушение как результат потери устойчивости состояния.

Что касается возможных механизмов, способствующих проявлению выбросов породы и газа, то, несмотря на наличие различных точек зрения на их природу, общепризнанным можно считать то, что выброс в окрестности выработки является следствием потери несущей способности массива под воздействием сил горного давления (изменения напряженного состояния) и порового давления газа, причем происходит он по принципу цепной реакции. Обобщение экспериментальных данных о разрушении пород и повышении скорости газоотдачи перед выбросом в окрестности выработанного пространства [1, 2] свидетельствует о том, что поровое давление газа является одним из основных силовых факторов, приводящих к выбросу. При этом микроразрушение и растрескивание массива приводит к увеличению его пористости, в результате чего силовое воздействие порового газа возрастает. Поэтому задача исследования влияния порового давления на напряженно-деформированное состояние (НДС) в окрестности выработки для изучения, в свою очередь, их совместного влияния на возникновение возможных очагов разрушения и механизм протекания выбросов является актуальной.

В классической постановке решение модельной задачи о влиянии газонасыщенности массива пород на характеристики его прочности и выбросоопасность в окрестности выработанного пространства отражают следующие зависимости.

За основу принята система разрешающих уравнений, описывающих связанные процессы деформирования газонасыщенной пористой среды и фильтрации газа в линейной постановке. Система включает в себя:

• уравнение равновесия:

• уравнение фильтрации:

• уравнение состояния:

где а у,5 ., и. ., и. . - соответственно макронапряжения, макродеформации и макроперемещения системы «скелет угля - газ»;

5 .. - дельта-функция; £ 5 - объемная деформация; Р - давление газа в порах;

.Р..1 - объемная сила, действующая на систему «скелет угля - газ»; Р. - объемная сила, действующая на газ; 5. - объемная концентрация пор; 5 - коэффициент фильтрации газа;

Ац. 1 у. 1 , Р 1 , а. 1 а. - эффективные постоянные системы «скелет угля - газ», определяемые следующими формулами:

г = 4 с2хКх]хх 2 ,= ^[9(^+^2)+^]

1 Зс^+Лс^ 3 ' 3(2 + с1)(с1^1 +с2К2)+Л(1 + с2)с1\\.1'

40

С2(3^1+4С1Ц1) ЪС2К1+4С1\11

а! =

«2 =

3 с2Кх +4 с^

; сх + с2 = 1.

Здесь, в свою очередь: К{, |еЦ - модули объемного сжатия и сдвига твердой фазы; К2 - модуль объемного сжатия газа.

Напряжения в твердой фазе 2Г у связаны с макронапряжениями и поровым давлением зависимостью вида:

О?. =10..+£?_Р5..

9 „ 9 „ У

(1)

Так как прочность насыщенного пористого массива определяется прочностью твердой фазы, то на основании формулы (1) следует, что несущая способность газонасыщенного пористого массива существенно зависит от пористости и порового давления.

Модельная механико-математическая задача, соответствующая задаче определения напряженно-деформированного состояния (НДС) в окрестности выработки круглого поперечного сечения в газонасыщенном массиве, формулируется для полубесконечного тяжелого пористого массива, насыщенного газом. Ненарушенный массив находится в состоянии равновесия, характеризуемом поровым давлением Р0 и напряжениями ее(. При этом фильтрация газа в ненарушенном массиве отсутствует. После образования сферической выработки радиусом Я происходит перераспределение напряжений в ее окрестности и начинается процесс фильтрации газа (считается, что давление в выработке Рв близко к атмосферному). Алгоритм и численное решение сформулированной модельной задачи строились в соответствии с решением, предложенным в [3].

Если рассматривать большие глубины, то задача о распределении НДС в окрестности выработки в тяжелом полупространстве для таких глубин может быть сформулирована как соответствующая задача для невесомого пространства при условии, что на бесконечности действует гидростатическая нагрузка Р = (с(( + с2у 2 ) Н, где у х, у 2 - удельный вес соответственно твердой фазы и газа; Н - глубина выработки.

Напряжения ( 2 и давление жидкости р2в массиве после образования выработки можно представить в таком виде:

а,; =а°+а*; Р*=Рп+Р

е<1

(2)

где а 2 , Ре - соответственно дополнительные напряжения и давление в порах, вызванные наличием выработки.

Рассмотрим задачу для дополнительного НДС в сферических координатах (г, ф , 0 ( . Система разрешающих уравнений включает: • уравнение равновесия:

^+2Р'-Р»=0; (3)

уравнение фильтрации:

уравнение состояния:

дг

дг2 г дг рр

(4)

(5)

41

1 зависимости Коши:

du и / \

ег = ~Г' еф = ее =-(w = wJ; dr г

граничные и начальные условия:

а I „ =-^г°+Р„) Р| =PB-PQ\P\ = 0.

r\r=R V Г В/> В 0 > |г=о

(7)

В уравнениях (3)-(7) а Г . ст , а е ; 8 . . 5 . . 5 0 ; и = и . - соответствующие компоненты НДС в сферической системе координат, Я - приведенный радиус выработки;

В* D*= ai

с2к

с2к

(8)

Система уравнений (3)-(6) позволяет получить такое уравнение относительно радиального перемещения:

d2u 2 du 2и Р* dP

dr г dr г + 2\i dr

(9)

Решение данного уравнения имеет вид:

С Р* 1 Г 2 rj j u= — + .—J rPdr; c-

r \ -2ц r JR

const.

(10)

Из уравнения (10) получаем:

грр ~

Г

А,* +2 ц*

(11)

С учетом уравнения (11) уравнение фильтрации (4) принимает следующую форму:

д2Р 2 дР

-2+--1

дг г дг

В* +

Р *D*

Л^ +2ц*

дР dt '

(12)

Из уравнения (12) следует, что в рассматриваемом случае давление газа в порах удовлетворяет стандартному уравнению переноса, но с приведенными коэффициентами.

Решение уравнения (12) с учетом начальных и граничных условий (7) таково [4]:

(13)

где: Р - — : F0-

R'

В* +

р*д*

л ■

V

А,* +2ц*

На основе соотношений (4), (5), (6) и (9) выражения для компонентов напряжений системы «скелет - газ» получаются в следующем виде [3]:

научно-технический журнал № 2-2011

42 вестник

схухН

1 + М2 . С{1

Л

1 У

с^Я р

се _ стф _

с{1хН схухН

1+

С212

1 +

1 1

27

1 рв 1

2 с^Я р3

(14)

Р-1

К+2\1- с,у,Н р

здесь

,Р3 0 ЛГРзл/ "

•Тй"

-^Т^ехр

4К

2 Л

+

1 Л

Р Р

ейс

Р-1

(15)

1Г ^ _ ± ег& _Р± + _1_ л ¡7 ехр

з ^„епс епс + ехр

р р 2 2^ л/тг р

(р-1)

,2 Л"

4К

Напряжения в твердой фазе в соответствии с зависимостью (1) определяются следующими формулами:

(16)

Известно, что прочность газонасыщенного массива определяется прочностью твердой фазы. Кроме того, характерной особенностью пород является существенное различие их прочности на растяжение и сжатие. Поэтому желательно, чтобы используемый критерий прочности учитывал эту особенность. Например, можно взять критерий прочности в таком виде [5, 6]:

Р =

'а*

+

( 1 V

(17)

л

где (Г ( - интенсивность напряжений в твердой фазе;

С2 (((ее - максимальное растягивающее напряжение в твердой фазе; ст ( - прочность твердой фазы на сжатие; а р - прочность твердой фазы на растяжение.

В соответствии с описанной модельной задачей были выполнены расчеты для массива, представленного сильвинитом и насыщенного метаном. Физико-механические характеристики массива были взяты следующие:

Ё1 = 10,61091а; Ё2 = 107 I а^^гЗ-Ю3 \ Я 3; у2 =2103 \ Л 3; сг =0,91; с2 — 0,09; £)„ =107 I а; £5 = 108 I а; В2 = 105 I а; а1ип«< = 2 • 10б I а; стит/)геш = 19,5 • 10б I а; щ = 5468,751 1а;/ =5001 .

В результате выполненных численных исследований установлено, что хотя общие радиальные макронапряжения в системе «скелет угля - газ» в окрестности выработки являются всюду сжимающими, однако в твердой фазе массива появляется зона растягивающих напряжений. В связи с этим при оценке прочности газонасыщенного массива, твердая фаза которого имеет низкую прочность на растяжение, наличие зоны растягивающих напряжений является существенным моментом. Подчеркнем, что если оценивать прочность массива по макронапряжениям в системе «скелет угля - газ», то наличие растягивающих радиальных напряжений в твердой фазе может остаться незамеченным. Исследование функции С вида (17) как функции от р и 55, (т.е. Р(р 5 Р0 5 ) показывает, что Р (р 5 ^ ) достигает максимальных значений в достаточно малой окрестности зоны выработки ( 1 < р < ^Об ). При малых значениях (начальная стадия фильтрации газа) функция может принимать значения единицы, т.е. может иметь место разрушение твердой фазы.

Установлено, что возможный механизм выброса в окрестности выработанного пространства может быть таков. В случае достаточно высокого порового давления на некотором расстоянии от выработки происходит разрушение скелета угля и отслоение некоторой внутренней части массива по контуру выработки. В результате этого образуется полость большего радиуса, чем первоначальный радиус выработки, но с таким же характером распределения напряжений. Происходит вторичное разрушение скелета угля на некотором расстоянии от новой полости и отвал части массива и т.д. В итоге образуется цепочка разрушений и отвалов, а освобождающийся из пор газ выносит разрушенную твердую фазу в свободное пространство полости.

Если поровое давление недостаточно высоко, могут происходить микроразрушения твердой фазы, увеличивающие пористость массива. Это приводит к увеличению напряжений в твердой фазе. Если увеличение пористости происходит быстрее, чем процесс фильтрации газа, то результирующая функция может со временем достичь предельного значения.

Следует отметить, что данный механизм выброса предполагает статический характер распределения напряжений в окрестности выработки. В действительности же после первичного разрушения и отвала твердой фазы на границе новой полости в начальный момент времени напряжения будут больше. Это приводит к появлению волны растяжения, в результате чего растягивающие напряжения в твердой фазе будут больше, чем в случае рассмотрения статического процесса. Таким образом, в действительности возможность вторичного и последующего разрушений будет выше, чем при статическом характере распределения напряжений.

Из характера распределения максимальных значений функции F и описанного механизма выброса сделан вывод о том, что размеры кусков разрушенного скелета угля должны быть примерно не больше чем , что согласуется с экспериментальными данными о диспергировании выбрасываемой породы.

Горно-экспериментальные исследования газодинамической активности углеметановых пластов

Следствия геомеханических процессов в зоне ведения горных работ в настоящее время можно рассматривать [7, 8] с позиций существования метана в угле по типу твердых углегазовых растворов (ТУГР).

Прежде всего, проанализируем зависимость структуры газоносности пласта по формам существования метана от действующих напряжений. Связующим звеном является суть научного открытия [8] - при снижении общих (литоло-гическое давление и давление газа) напряжений необратимо снижается доля газоносности пласта, представленная метаном ТУГР При этом в изолированном объеме пласта увеличивают свое присутствие две другие формы существования метана - адсорбированный и свободный газ. Авторы открытия приводят примерные соотношения структуры газоносности по формам существования метана, но не дают необходимого для решения газокинетических задач уравнения газового баланса. Для его получения можно использовать результаты работы [9], в которых установлена зависимость предельной (глубины, много большие глубин реальной угледобычи) газоносности углеметановых пластов Кузбасса от выхода летучих веществ. На этих глубинах под влиянием высокой температуры массива адсорбционная способность угля минимальна. Значительное повышение литологического давления снижает пустотность пласта, минимизируя содержание свободного газа, на количество которого, приведенное к нормальным условиям, также влияет и рост температуры. Однако, по данным геологоразведки, газоносность пласта неуклонно возрастает, что можно объяснить только ростом газовой компоненты ТУГР.

Отсюда следует, что при снижении напряжений в пласте распад ТУГР формирует повышение сорбционного потенциала угля пропорционально снижению доли растворенного метана, т.е. полностью разгруженная и вакуумирован-

ная проба угля (лабораторные условия) имеет полный сорбционный потенциал, а при газоносности пласта, близкой предельному газосодержанию ТУГР, он снижается до нуля. Тогда, зная из геологоразведочных данных природную газоносность пласта и принимая давление газа вне зоны влияния горных работ равным гидростатическому, можем определить содержание адсорбированного и свободного метана с поправкой на снижение сорбционного потенциала угля под влиянием составляющих ТУГР.

На основании закона сохранения массы газа получены следующие полуэмпирические зависимости. Структура газоносности пласта:

Хл

ха+х„ + хсв,м3/т.

(18)

Напряжения в пласте за зоной влияния горных работ:

стОб,0=СТ0+Р0.МПа.

Напряжения в пласте в зоне влияния горных работ:

Действующее давление газа в замкнутом объеме пласта при снижении механических напряжений:

0 . МПа.

(19)

(20)

(21)

Содержание свободного газа:

0,1.(273 + ,ил)

(22)

Содержание растворенного метана в угле:

Ал (X» - Х«)0 + К • Р.) - а ■ Ъпл • Р (Аш - хсв)

X =-1-—--- , м3/т.

Р А(1 + Ь„-Р.)-а -ьп -Р.

пд\ т г > ПЛ т I

(23)

Содержание адсорбированного метана:

„ «яА.*? 3,

Ха = л , , , м /т;

¿„ = С2 • 3,9 Г • ехр(),02 - (з - ^ ¥1 - ехр

■с..р • Н

2 ср

, 1/МПа;

/у

«™ = О* (-0,0012- Г3 + 0,091- К2 - 2,25 • V + 35,7), м3/т.

(24)

(25)

(26)

Рост давления газа даже при мгновенном снижении механических напряжений в углеметановом пласте обусловлен кинетикой распада ТУГР [8] и [9]. С учетом кинетики распада динамика давления газа для каждой точки зоны разгрузки описывается следующим выражением:

Л = Ро + о -К8а0) -Р0)• (р,25 • ехр0'0025"* >0,75*1 -ехр0'00013"*))

(27)

здесь хш - природная газоносность пласта, м3/т; Ха - сорбционная метаноемкость угля, м3/т; ХР - содержание метана в составе твердого раствора, м3/т; Хс - содержание свободного метана, м3/т;

Стоб.о- напряжения в пласте вне зоны влияния горных работ, МПа;

Р0 - давление свободного газа в микропорах вне зоны влияния горных работ, МПа;

¡то-литологическое давление, МПа;

К5 - коэффициент снижения лигологического давления;

о/ - напряжения в рассматриваемой зоне пласта, МПа; ак- несущая способность кромки пласта, МПа;

Р, - давление газа в пласте в зоне влияния подготовительной выработки, МПа; Рат - атмосферное давление у кромки пласта, МПа; А - предельная газоносность пласта, м3/т; ^-температурапласта, °С;

а„л - предельная сорбционная метаноемкость угля, м3/т; Ът. - коэффициент сорбции, 1/МПа; V— выход летучих веществ, %;

и- время от момента снижения механических напряжений, с.

Из выражений (18)-(20) следует, что при любом снижении вертикальных напряжений ( С2 г —2 СУ к ) в изолированном от внешней среды объеме геоматериала метан, выделяющийся при распаде ТУГР, не может создать давление, большее КГ (к - 2ГК, так как процесс распада остановится в связи с ростом давления газа на величину, соответствующую снижению вертикальных напряжений. Эта особенность необратимости распада ТУГР и обеспечивает количественную оценку газокинетических следствий снижения горного давления в зоне влияния горных работ, а соответственно и расчет показателей основных элементов газокинетического процесса, определяющих газодинамическую активность приконтурной части пласта и поступление газа в выработки.

На основе анализа известных представлений о газодинамических процессах в приконтурной части пласта и новых знаний об изменениях ее геомеханического состояния [10]-[13] установлено, что введение в механизм газодинамических явлений особенностей зональной дезинтеграции пород может существенно повысить надежность метода контроля газовой опасности при проведении горной выработки. Однако для оценки динамики выделения газа необходимо оперировать объемными единицами измерения, а известные геомеханические модели этого явления решают лишь плоские задачи в сечениях, нормальных оси выработки, что затрудняет суждения о причинах периодичности газопритока по ее длине. В то же время на основе результатов этих решений можно ввести необходимые элементы объемной модели и оценить их адекватность по конечному результату - динамике поступления газа в выработку, оснащенную электронной системой аэрогазового контроля.

Сущность подхода применительно к однородной изотропной среде в поле постоянных напряжений заключается в следующем.

Реализация упругой энергии пород в бортах выработки обуславливает их дезинтеграцию на концентрические блоки, размер которых определяется в первом приближении равенством работы на образование новой поверхности запасам упругой энергии материала в формирующемся объеме. С позиций минимума энергозатрат оптимальная форма блоков:

• на расстоянии, меньшем половины ширины выработки, где влияние радиальных особенностей состояния массива невелико, - полусфера;

• на расстоянии, большем половины ширины выработки, - псевдоэллипсоиды с длинной осью основания по оси выработки, а короткой - по ее ширине;

• количество частей при разрушении блоков кратно двум.

При этом величина структурного параметра по данным работ [14] и [15] составляет , где п - уровень структурной иерархии.

Газодинамические следствия частичного снижения напряжений в газоносном пласте наиболее наглядны при взломах почвы подготовительных выработок, проводимых по верхнему слою мощных пластов. Упругое разрушение приконтур-

ной части массива приводит к резкому росту зоны снижения напряжений с соответствующей реакцией газовой компоненты пласта, регистрируемой непрерывно действующей аппаратурой контроля концентрации метана. Естественно, чем больше масса вовлекаемого в процесс газоносного угля, тем заметнее следствия.

Для анализа связи механизма взломов почвы с явлением зональной дезинтеграции приконтурной части массива рассмотрены горно-технологические условия проведения выработок по верхнему из сближенных пластов IV и V на шахте «Томусинская 5-6» (Кузбасс). Проведение штрека по верхнему пласту на расстоянии около 600 м сопровождалось периодическими повышенными притоками метана, превышающими средние значения в 2 - 6 раз. Горно-технологические условия: глубина работ - 440 м; мощность верхнего пласта - 2,9 м; газоносность пластов -14,5 м3/т; выемка угля - комбайном избирательного действия; способ крепления - анкерное; скорость проведения - 150 м/мес. Мощность междупластья 0,5-3,5 м. Мощность нижнего пласта 6 м.

Пласт IV однороден. Пласт V имеет несколько небольших пачек слабого угля и прослой аргиллита. На рисунке 1 показана структура пластов и схема развития газодинамических явлений как следствие зональной дезинтеграции, в которой нарушение устойчивости почвы выработки инициирует процесс газодинамической деструкции не только нижнего, но и верхнего пласта в пределах зоны, соответствующей новому метастабильному состоянию массива горных пород. В связи с переменной мощностью междупластья по трассе выработки (0,5-4,0 м) размеры зоны ее разгружающего влияния на нижний пласт непостоянны. Соответственно изменяется и масштаб его газодинамической реакции. Рассматривая эти геомеханические ситуации с учетом особенностей ТУГР, следует учесть, что снижение напряжений приводит к активизации газовой компоненты пласта в разгружаемой зоне, сопровождающейся соответствующим ростом давления газа на междупластье. В динамическом режиме деструкция может охватить зону, показанную на этом

рисунке пунктирной линией. В то же время взлом и дезинтеграция почвы - это лишь начальный импульс для последующей газогеомеханической реакции всего массива в зоне влияния выработки. В итоге газокинетические следствия приобретают более масштабный характер, что регистрируется аппаратурой непрерывного газового контроля (рисунок 2).

ч. м ■ мни 22 20 13 16 N 12 10 К Л 4

о

к

V \

/ / Ч \

' / / ч<1* *

■ / ч ч

\ ' ■ / л ч 1 \

X /. / А /*. П * /А г У5 7(7- . д / : / к \ 4 1 П V

•V ■ Л + 1: > - 1 I 1 \ I." 1 Ь,Т \ ^ Д ' Лг ■ 1 ч. 1.0 [-1 \ * "Ч \ *

- *' ■ 1_ г

-ЧЙ-1- Л 1 1 - г * ? " - г Г

50 кн> Май

150

300 МО 1 -КН) Тектоническое

ИЮНЬ «ччммнм

450

Июпь

500

550

к ч Л5«

Август

Рисунок 2 - Метановыделение при проведении штрека по верхнему из сближенных пластов IV и V при наличии породного междупластья переменной мощности (Кузбасс)

Отметим, что увеличение протяженности интервалов при приближении к нарушению можно, на первый взгляд, объяснить ростом проницаемости нарушенного массива. Но одновременно с ростом протяженности возрастают и объемы динамических выделений газа, что противоречит этому объяснению, т.к. рост газопроницаемости способствует более интенсивному газоистощению массива до момента взлома. Одновременное увеличение и протяженности интервалов, и объемов динамически выделяющегося на них газа возможно только в случае скачкообразного роста объема вовлекаемого в процесс газоносного массива.

Показатель прочности междупластья принят на основании закона Кулона-Мора:

К=(К + а,*8Ч>)тя1„.Н. (28)

где К - коэффициент сцепления, МПа;

С п - действующие нормальные напряжения, МПа; Ч> - угол внутреннего трения, град; Шп - мощность междупластья, м;

1Ш - протяженность рассматриваемого участка выработки, м.

Показатель активных сил примем в виде:

Р.=Р,Ы„,Н, (281

48

где Рг - давление газа в зоне геомеханической разгрузки нижележащего пласта с учетом реакции твердого раствора на снижение механических напряжений, МПа;

Ь - ширина выработки, м; Условие устойчивости:

F„ < F, (30)

Отсюда критическое давление газа:

(K+aJg(p)mn

Р=-, МПа. (31)

г Ъ

Приняв, согласно [16], для аргиллита К= 7,2; tg(p = 0,78 и для угля К= 3,1; tgtp =0,83, получены графики максимальных значений критического давления (рисунок 3). Следует иметь в виду, что справочные показатели прочности породы междупластья не учитывают ее нарушенность в массиве, следовательно, расчет дает несколько завышенные значения.

1\г МП:»

I 1.5 2 3 mr( 4

-Арцппщг--Уголь

Рисунок 3 - Изменение критического давления газа с ростом мощности междупластья

С учетом геометрических размеров зоны разгрузки нижнего пласта, определяющих площадь приложения давления газа, вычислены показатели силового взаимодействия (рисунок 4). Из рисунка 4 видно, что существует интервал под-вигания, на котором условие устойчивости (30) не выполняется.

В известных работах [14] и [15], посвященных явлению зональной дезинтеграции пород, как правило, не рассматривается неупругая зона приконтурной части пласта, а именно в ней формируются потоки газа в выработку, определяющие ее квазистатическую метанообильность. Условимся называть ее фоновой. Принимая величину фоновой метанообиль-ности в качестве газокинетической характеристики неупругой зоны пласта вне интервалов развития динамических процессов саморазрушения приконтурной части массива, получим количественное значение базового уровня зональной дезинтеграции и соответствующую каноническую шкалу, отражающую газодинамические характеристики иерархии геосреды со структурным параметром [11].

Учитывая, что структурный параметр шкалы имеет дискретный характер, разделим экспериментальные данные на группы точек, расположенных вблизи соответствующих уровней иерархии. Средние значения в группах соединим ступенчатой линией, отражающей следствия перехода процесса зональной дезинтеграции с одного уровня иерархии на другой (рисунок 5).

Рисунок 5 - Газодинамические процессы при проведении выработки по верхнему слою мощного пласта

Следует подчеркнуть, что этот переход происходит в динамическом режиме, но с достаточно связанными параметрами (таблица 1).

Результаты исследований позволяют графически отобразить объемную схему развития геомеханических процессов в виде последовательного скачкообразного перехода критической границы зональной дезинтеграции пород как следствия самоорганизации энергонасыщенного массива при изменении внешних условий (рисунок 6).

50

Таблица 1 - Результаты обобщения горно-технологических данных о газодинамических процессах при проведении выработки по верхнему слою мощного пласта

Объем газа, выделившегося на интервале, м3 Протяженность интервалов структурной иерархии, м

п йР.п 0.Ф.П 0.ф,п/0.р,п п 1р,п 1ф,п

0 8050 6821 0,85 0 8,1 8,4 1,04

1 11383 10588 0,93 1 11,5 12,0 1,05

2 16095 16520 1,03 2 16,2 19,8 1,22

3 22759 23617 1,04 3 22,9 26,2 1,15

4 32181 33336 1,04 4 32,4 28,3 0,87

5 45503 40329 0,89 5 45,8 38,6 0,84

Среднее значение 0,94 Среднее значение 1,03

г0 - половина ширины выработки; Х^- размер неупругой зоны в пласте

Рисунок 6 - схема развития геомеханических процессов при проведении подготовительных выработок

Из этой закономерности следует, что рост потенциальной энергии массива и (или) снижение его прочности приводят к увеличению зоны динамической реакции пласта или выбросоопасной пачки угля, как наиболее слабых элементов в массиве пород. Причем эта тенденция прогнозируема и может отслеживаться, например, по показаниям непрерывно действующей аппаратуры аэрогазового контроля (рисунки 2 и 6).

ВЫВОДЫ

Развитие зональной дезинтеграции пород, формируя радиальные интервалы пониженных напряжений и дезинтеграции газоносного пласта, активизирует его газовую компоненту, и в случае достаточно высокого давления свободного газа на некотором расстоянии от выработки, где функция достигает предельного значения условия устойчивости Fa < Fп, происходит разрушение слоя соответствующей мощности и диспергирование скелета угля. В начальный момент наблюдается отслоение некоторой части массива по контуру выработки, что создает условия для образования полости большего радиуса и соответствующей протяженности по оси выработки, а в глубине характер распределения напряжений повторяется.

Происходит вторичное разрушение пласта на некотором расстоянии от предыдущей полости, отброс части массива и т.д. В итоге реализуется лавинообразное разрушение по принципу «домино», а выделяющийся газ выносит часть разрушенной твердой фазы в выработку. Если давление свободного газа недостаточно высоко, так, что функ-

ция F ниже предельного значения и выполняется условие устойчивости Fa < Fп , то в зоне дезинтеграции могут происходить микроразрушения твердой фазы и повышенное выделение газа. Если выделение газа превышает его фильтрацию в выработку, то вновь формируется выбросоопасная ситуация.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Андрейко, С.С. Газодинамические явления в калийных рудниках: генезис, прогноз и управление / С.С. Андрейко, П.А. Калугин, В.Я. Щерба; под ред. В.Я. Прушака. - Минск: Высшая школа, 2000. - 335 с.

2. Баранов, РИ. К теории внезапных выбросов угля и газа / РИ. Баранов, Л.В. Ершов, Ю.М. Широков // Физико-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых. - 1972. - № 4. - С. 29-35.

3. Хорошун, Л.П. О влиянии газонасыщенности массива на возможность выбросов в окрестности горных выработок / Л.П. Хорошун, Р.М. Исрафилов // Прикладная механика. - 1981.- Т. XVII. - № 5. - С.13-18.

4. Паркус, Г. Неустановившиеся температурные напряжения / Г Паркус. - М.: Физматгиз, 1963. - 252 с.

5. Писаренко, Г.С. Сопротивление материалов деформированию и разрушению при сложном напряженном состоянии / Г.С. Писаренко, А.А. Лебедев. - Киев: Наукова думка, 1969. - 211 с.

6. Журавков, М.А. Устойчивость и сдвижение массивов горных пород / М.А. Журавков, В.С. Зубович. - М.: РУДН, 2009. - 432 с.

7. Алексеев, А.Д. Распад твердых углегазовых растворов / А.Д. Алексеев, А.Т. Айруни, И.Т. Зверев [и др.]// Физико-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых. - 1994. - №3. - С. 65-75.

8. Диплом на открытие №9. Свойство органического вещества образовывать с газами метастабильные однофазные системы по типу твердых растворов /Алексеев А.Д., Айруни А.Т., Васючков Ю.Ф., Зверев И.В., Синолицкий В.В., Долгова М.О., Эттингер И. Л. - Акад. ест. наук. Ассоц. авт. науч. откр. от 10.11.94, рег. №16. - М. - 3 с.

9. Полевщиков, Г.Я. Энергия релаксации сорбционной метаноемкости углей / Г.Я. Полевщиков, Т.А. Киряева // Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение «Метан». -2006. - С.84-90.

10. Нелинейная механика геоматериалов и геосред/ П.В. Макаров, И.Ю.Смолин, Ю.П. Стефанов [и др.]. - Новосибирск: Гео, 2007. - 237 с.

11. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок / В.Н. Опарин, А.П. Тапсиев, М.А. Розенбаум [и др.]. - Новосибирск: СО РАН, 2008. -278 с.

12. Поваренных, М.Ю. Фрустумация (первичная кусковатость) как проявление квантования горнопородного уровня организации вещества / М.Ю. Поваренных, А.Г. Жабин // Сб. науч. статей. Годичное собр. РМО (8-11 октября 2007). -С.-Пб.: СПГГУ, 2007. - С. 81-85.

13. Садовский, М.А. Естественная кусковатость горной породы / М.А. Садовский // Докл. АН СССР. - 1979. - Т. 247. - N 4. -С. 829-831.

14. Курленя, М.В. О масштабном факторе зональной дезинтеграции горных пород и канонических рядах атомно-ионных радиусов / М.В. Курленя, В.Н. Опарин // Физико-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых. - 1996. - № 2. -С. 6-16.

15 Полевщиков, ГЯ. Влияние процессов разгрузки и сдвижений вмещающих пород на выделение метана из разрабатываемого пласта / Г.Я. Полевщиков, М.В. Шинкевич, Е.Н. Козырева, О.В. Брюзгина // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - №2. - С. 139-143.

16 Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна: справочник / Г.Г Штумпф, Ю.А.Рыжков, В.А. Шаламанов [и др.]. - М.: Недра, 1994. - 477с.

MINE ROCKS GAS DYNAMIC REACTION AT PREPARATION OPENINGS Журавков

HEADING Михаил Анатольевич

M.A. Zhuravkov, G.Ya. Polevschikov e-mail: [email protected]

Through complex studies of properties and condition changes of gas

containing mine rocks in the influence areas of mine workings conditions Полевщиков

and parameters of their selfdestruction were determined which conditioned Геннадий Яковлевич

appearance and development of dynamic gas manifestations. Possibility e-mail: [email protected]

of quantitative evaluation and control of coal seam gas dynamic activity is

proved in the process of preparation openings heading.

The work is done with financial support for an international project with

Belorussia RFFI No. 10-05-90001-Bel_a; according to integration project

No. 61 of SB RASc.

Key words: GAS CONTAINING SEAM, OPENING, STRESSES, GAS

PRESSURE, DECOMPOSITION, STABILITY, GAS DYNAMIC ACTIVITY,

LEVEL, METHANE EMISSION CONTENT, CONTROL