CC BY
26
© И.А. Павлов, И.В. Курта, М.А. Волков, 2011
УДК 622.411.33
И.А. Павлов, И.В. Курта, М.А. Волков
СИНЕРГЕТИКА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ДИНАМИКИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ ОТРАБОТКЕ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
Приведена методика оценки взаимного влияния геомеханических и газодина-мических процессов на примере отработки угольного пласта Воркутского месторождения. Ключевые слова: метан, фильтрация, пласт, горный массив, деформации.
з анализа достаточно представительного круга работ, посвящённых изучению и решению вопросов фильтрации газов в горных породах следует, что связь фильтрационных процессов и механического (напряжённо-деформированного) состояния (НДС) фильтрующих сред реально присуща и углевмещающим толщам и угольным пластам, в частности. В такой постановке аналитические решения фильтрационных задач, даже в частных случаях редко допускают получение точных (тем более практически-значимых) результатов. В естественных («невозмущённых» технологически) состояниях в массиве существует термодинамическое равновесие между сорбированным и свободным метаном. Изменение НДС при над-работке либо подработке, определяемое развитием фронта очистных работ (ФОР), обусловливает образование дополнительных систем трещин, нарушение отмеченного равновесия, возрастание количества десорбирующегося метана и усиление процесса его миграции
(фильтрации) в массиве в соответствии с имеющимся градиентом давления газа.
Анализ известных аналитических подходов к возможной оценке влияния вариантов развития ФОР на газодинамику массива показал достаточную ограниченность использования таких решений. В тоже время степень влияния фактора развития ФОР на изменение взаимосвязанных геомеханических и газодинамических параметров массива горных пород (МГП) может быть оценена при использовании эксперименталь-но-ана-литического подхода к решению данного вопроса. Разработанная методика решения подобных задач принципиально содержит следующие, поэтапно решаемые, положения:
- анализ и обобщение геологической и горно-технической информации по конкретному участку шахтопласта либо шахтного поля;
- оценку НДС массива и его изменчивости (в функции координат и времени), на базе формируемых горно-геомеханических моделей и расчетных схем;
;^00000000000000000000000000000000000000^
КЧЧХЧЧХЧЧХЧЧХЧЧХЧЧХЧЧХЧЧХЧЧХЧЧХЧЧХЧЧХЧЧ'
мощностью,7 м
Рис. 1. Горно-геомеханическая модель (ГГМ) всей исследуемой области МГП с заданными статическими граничными условиями (Р = уН), отвечающими действующим и перспективным глубинам (Н) разработки месторождения (принято Р = 25 МПа)
> 50 м
- оценку изменчивости параметров процесса фильтрации метана в массиве, в функции специфических параметров его НДС;
- расчет дебитов скважин в характерных зонах массива;
- разработку систем дегазации (и возможную корректировку параметров системы вентиляции).
На базе принятого к использованию экспериментально-аналитичес-кого метода граничных элементов (МГЭ) и модифицированного его варианта - метода разрывных смещений (МРС) были выполнены исследования взаимосвязанных (синергетических) горногеомеханиче-ских и газодинамических факторов, принципиально определяющих выбор
рациональных параметров конкретных схем комплексного извлечения энергетического сырья из недр.
Рассматривались условия отработки пластов угля Вор-кутского месторождения в «придонной» (перспективной) зоне мульды и, в частности, пластов п14+13+12, п11 и др. Рассматриваемый метод (МРС) позволяет в решаемой задаче о НДС вмещающего пласт п11 и его выработанного пространства (ВП) массива получить необходимые данные о всех компонентах полей напряжений (ст^), деформаций (Вщ) , перемещений (81) и, функционально связанных с ними величинами объёмной деформации 0 , определяющих изменение газопроницаемости пород, а также, в частности, для достаточно значимых для решения проблемы аэрологии выемочного участка вопросов, утечек воздуха через зону ВП1. При этом решаемая проблема, как следует из предыдущего, синергетично рассматривается с технологией выемки угля, то есть с параметром нагрузки на очистной забой (А1, т/сут) и, соответственно, со скоростью его под-вигания (VI, м/сут).
Реализация приведенной методики (МРС) требует разработки соответствующих горногеомеханических моделей (ГГМ) исследуемых объектов и расчетных схем (РС), которые были сформированы на основе обобщенных геологических и горногеомеха-нических данных и примеры которых приведены на рис. 1 и 2.
::::::::::::::::::::::::::::: Еі. и і і і і і і і і і і
ч\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\Ч\\\\'
Схххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххххч;:
1л/2
Шк
Рис. 2. Расчётная схема для исследования НДС надраба-тываемого массива в “первой” зоне развития ВП (от монтажной камеры); “1-1” - ось симметрии ГГМ
Ь]. и
Е]. и
0 X
Піі
Ь2. и
Ь. и
Разработка расчётной схемы. приведённой в качестве примера на рис.е 2 и отражающей НДС неоднородных. многосвязанных. квазиконтинуальных сред. базируется на результатах анализа состояния пород кровли и почвы пласта «Четвёртого». переменных в пространстве-времени в рамках ведения очистных работ на выемочных. участках. В отмеченном аспекте в пределах ВП необходимо рассматривать. в основном. три характерные зоны (от монтажной камеры по направлению выемки столба): зона ВП. в которой породы кровли превалирующе зависают. не передавая нагрузки от пород налегающей толщи на почву; зона ВП. в которой нагрузка на надрабатываемый массив. передаётся по площади нестационарной в пространстве-времени. Эта зона. постепенно расширяясь по мере выемки пласта Пц и
развития выработанного пространства, переходит в зону, где нагрузка от деформируемых (разрушающихся и уплотняемых) пород кровли полностью (по всей ширине ВП за исключением околоштрековых участков) передаётся на надрабатывае-мый массив (очевидно, что в последнем случае ширина такой зоны - в пределе - отвечает длине лавы). Поскольку скорость отработки выемочного участка - достаточно чётко фиксируемый параметр, то пространственно-временные аргументы, определяющие НДС надра-батываемой толщи, допускают их простую инженерную оценку, что позволяет изучать
нестационарный процесс в квазистационарной (пошаговой) постановке. Отмеченные методические особенности использованы при исследовании напряжённо-деформированного состояния под- и надрабатываемых углесодержащих толщ, залегающих в кровле и почве пласта п11 и реализовываны в соответствующих расчётных схемах.
Например, для первой из рассмотренных зон надработка имеет место по всей ширине ВП (лавы) и реализуется во времени, отвечающем подвиганию очистного забоя на расстояние, равное приближённо зоне зависания пород кровли (рис. 2). На границе исследуемой зоны массива приложена нагрузка Р = у-Н. В подстилающих пласт п11 породах изучается область: 0 <х <160 м и —1,6 <у <-83 м, что необходимо отвечает надрабатываемой толще вплоть до пласта «Пятого» (п7).
Рис. 3. Поле параметра в = (р(х,у) в исследуемой области (для «первой зоны»; при времени под-вигания забоя лавы ~< 15 суток и отходе её от монтажной камеры на & 60 м)
Аналогично формируются параметры РС и для иных зон ВП.
В расчётных схемах ось 2 - нормальна к плоскости рисунков. Для адекватного условиям натуры плоскодеформи-рованного состояния массива выполняются численные эксперименты, оценивающие численное значение полей оір Єу и вг. Деформационные характеристики, приведённые выше для обобщённых структурных элементов массива (рис. 1), пересчитаны для указанного вида НДС. Иррациональность рассмотрения числового материала результатов расчётов параметров оір Єу вг - очевидна, поэтому анализ пространственно-вре-менной изменчивости НДС пород надрабатывае-мой толщи удобно фрагментарно представлять в графической интерпретации (в виде построения полей компонентов сх, су, єх, єу и др.). По данным о полях Єу для точек массива рассчитываются значения вг как функции вг = Дх,у). Поскольку общей задачей настоящих исследований является конкретное изучение синергетики геомеханических и газодинамических факторов в надраба-тываемой пластом «Четвёртым» толще
пород, то ниже приводятся наиболее чувствительные в указанном аспекте данные о расчётах компонентов полей % и вг. Подчеркнём ещё раз, что рассчитанные параметры отвечают нестацио-нарности процесса изменения полей ех и £у во времени. Количественно это учитывается за счёт выполнения пошагового изменения условий нагружения исследуемых областей массива в рассмотренных выше зонах.
Пример результатов выполненных исследований для первой зоны приведены на рис. 3.
Аналогично рассчитываются параметры £у и 0i и для всей зоны надработ-ки (в пределах ВП по конкретным пластам - в данном примере по пласту п11). Отметим, что показатель вг = (р(х,у) в наибольшей мере отражает возможность изменения газодинамических (коллекторских!) свойств массива, т.к. физически определяет соотношения АУ/У где: AV - изменения единичного объёма в массиве, V - первоначальный объём.
Методически, как следует из приведенного материала, анализ изменений
НДС надработанной толщи необходимо выполнять параллельно с соответствующим изменением газодинамических параметров этого же объекта, т.е. в режиме оценки их взаимовлияния (синергетики). Базирующийся на использовании разрабатываемых расчётных схем, такой анализ позволяет оценить про-странственно-вре-менное развитие в надработанной толще превалирующих зон газоотдачи, пропорциональных соответствующим изменениям газопроницаемости пород.
Прогнозная оценка геомехано-газодинамического состояния пород надрабатываемого массива выполняется, как отмечалось, дифференцировано по рассмотренным выше зонам развития выработанного пространства того или иного пласта (в частности пц) во времени. Отметим, что предварительная оценка НДС массива показывает достаточную значимость изменения компонентов сгу и еу на глубинах вплоть до ~ пласта «Пятого» (п7). Ниже по разрезу эффект надработки сказывается несущественно. Таким образом, взаимовлияние геомеханического и газодинамического факторов целесообразно исследовать в диапазоне междупластья п11-п7.
На основании исследований можно рассмотреть синергетику указанных факторов. В первой зоне (отсутствие пригрузки на подстилающий пласт п11 массив) вплоть до расстояний от монтажной камеры < 75 м (время ~ 20 суток) развивается область упругого восстановления объёмной пористости пород практически по всей ширине лавы. Активно изменяется пористость в зоне п11 + п10, достигая значимых величин и на глубинах залегания пласта «Пятого» (п7). В указанных пространственновременных диапазонах следует ожидать увеличения газовыделений в вырабо-
танное пространство пласта из надрабо-танной угленосной толщи.
В процессе изменения площади при-грузки (т.е. в пределах второй зоны -зоны нестационарных пригрузок) начинают значимо изменяться как геомеха-нические параметры (е,}- и вг), так и потенциальная газоотдача углевмещающей пачки в пределах мощности п11 + п7. В центральной области ВП в связи с расширением здесь пригрузки пород почвы происходит снижение их пористости (соответственно - и газоотдачи!). Отмеченный процесс в этой зоне постепенно перемещается по направлению к около-штрековым участкам, непосредственно вдоль которых разгруженная область сохраняется на всём протяжении ВП. Таким образом, во второй зоне наибольшая разгрузка углевмещающей надрабатываемой толщи в пределах п11+п7 имеет место в ВП на расстояниях от монтажной камеры около 300 м (ориентировочно, во времени через ~ 80+90 суток). На расстояниях около 400 м, через ~ 100+110 суток происходит снижение порового объёма в толще п11+п7 вплоть до перехода выемочных работ в последнюю (третью) зону развития ВП. Здесь, как отмечалось, на породы почвы передаётся давление, приближённо соответствующее геостатическо-му (на глубине «придонной» части мульды), что характерно при развитии ВП в пространстве ~на 650 м (во времени ~на 180 сутки с момента отхода лавы от монтажной камеры). Можно констатировать, что надработанное ме-ждупластье в этой зоне восстанавливает характерное для него «невозмущённое» (до надработки) состояние с соответствующими для него геомеханическими параметрами и приближённо «фоновым» уровнем газоотдачи. Отметим, что в то же время в прилегающих непосредственно к очистному забою породах ме-
ждупластья здесь имеет место существенное увеличение эффективной пористости пород (особенно в области Пц+П7 и далее, вплоть до больших глубин). В целом этот участок, за исключением ~20ти метровых концевых частей лавы, сопоставим по прогнозным оценкам ме-тановыделений в ВП с рассмотренной выше первой зоной.
При развитии выработанного пространства по направлению к демонтажной камере, указанное прогнозное соотношение геомехано-газодинами-ческих характеристик надрабатываемой толщи сохраняется приближённо неизменным (при отсутствии неизвестных изменений геологического строения этой части массива).
По мере приближения очистного забоя к демонтажной камере параметры НДС надрабатываемого массива изменяются зеркально рассмотренным выше для условий первой зоны.
Рассмотренные результаты взаимодействия факторов механического и газодинамического состояния пород над-рабатываемой защитным пластом «Чет-
вёртым» углевмещающей толщи являются базовыми при дифференцированной прогнозной оценке её метаноотдачи, а соответственно исходными данными для разработки схем дегазации между-пластья пц + п7 с высокой эффективностью метанозабора из него.
Эти же данные служат основой построения варианта типовой схемы комплексного извлечения энергоносителей «уголь-метан» при повышении уровня безопасного ведения горных работ на выемочных участках пластов за счёт «подавления» в выработках газового фактора.
Основополагающие принципы построения методики количественных оценок геомеханических и газодинамических состояний возмущенного подземными горными работами углевмещающего массива и ее численная реализация позволяет осуществлять выбор наиболее эффективных схем добычи комплексного (уголь-метан) сырья в условиях действующих шахт Печорского (и иных) бассейнов РФ. ВГСга
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------
Павлов Игорь Александрович - доцент, кандидат технических наук, Санкт-Петербургский государственный горный университет, [email protected]
Курта Иван Валентинович - аспирант, Санкт-Петербургский государственный горный университет, [email protected]
Волков М.А. - СУЭК-Кузбасс, начальник отдела перспективного планирования.
