НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ ім. М.С. ПОЛЯКОВА

КРУКОВСЬКА Вікторія Вікторівна

УДК [622.411.023.623:539.3](043.3)

РОЗРОБКА МЕТОДУ РОЗРАХУНКУ ПАРАМЕТРІВ ПРОЦЕСУ ФІЛЬТРАЦІЇ МЕТАНУ З УРАХУВАННЯМ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ВУГЛЕПОРОДНОГО МАСИВУ,

ЩО ПІДРОБЛЯЄТЬСЯ

05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (ІГТМ НАН України), м. Дніпропетровськ.

Науковий керівник - академік НАН України, доктор технічних наук,

професор Булат Анатолій Федорович, директор ІГТМ НАН України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: доктор фіз.-мат. наук, професор

Приходько Олександр Анатолійович,

завідувач кафедри технічної механіки

Дніпропетровського національного університету

кандидат технічних наук

Дичковський Роман Омелянович,

доцент кафедри підземної розробки родовищ

Національного гірничого університету

(м. Дніпропетровськ)

Провідна установа: Український державний науково-дослідний

та проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України, відділ захисних пластів та управління станом гірського масиву (м. Донецьк)

Захист відбудеться "03" листопада 2006 р. о 1330 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2-а, факс (0562) 46-24-26.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ІГТМ НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2-а.

Автореферат розісланий "02"жовтня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Перепелиця В.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Збільшення глибини розробки вугільних родовищ призводить до зміни параметрів напружено-деформованого стану гірського масиву у зоні впливу очисної виробки, інтенсифікації газовиділення з вугільних прошарків та метанонасичених порід, обумовлює збільшення притоку метану з порід покрівлі, що підробляються, до очисного вибою. В результаті ускладнюються умови праці на виїмковій дільниці, знижуються темпи видобутку вугілля, не реалізуються технічні можливості сучасної високопродуктивної видобувної техніки.

Зменшити газовиділення з гірських порід, що підробляються, у діючу лаву можливо шляхом їх своєчасного дренажу за допомогою дегазаційних свердловин. Така технологія широко застосовується на багатьох шахтах, небезпечних за газовим фактором. Практика показує, що далеко не всі дегазаційні свердловини працюють ефективно. Причини цього пов’язані з тим, що існуючі методи визначення параметрів дегазаційних систем не враховують особливостей геомеханічних процесів, що відбуваються у навколишньому вуглепородному масиві. А саме геомеханічні процеси визначають просторове розташування джерел метановиділення і часові параметри їх існування, що необхідно для цілеспрямованого закладання дегазаційних свердловин у конкретних гірничо-геологічних умовах.

Одним з шляхів вирішення цієї проблеми є сумісне дослідження геомеханічної поведінки гірського масиву і фільтрації метану у ньому на імітаційних комп’ютерних моделях.

У зв'язку з цим розробка методу розрахунку параметрів процесу фільтрації метану з урахуванням напружено-деформованого стану вуглепородного масиву, що підробляється, та встановлення закономірностей фільтрації метану є актуальною науково-прикладною задачею, яка має важливе практичне значення для вуглевидобувної галузі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетної теми Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України № 74 “ Механіка гірських порід, техніка і технології безпечного видобування вугілля високонавантаженими лавами” (№ держ. реєстрації 0103U001629), та програми НАН України “Розробка технологій дегазації вугільних пластів з метою використання метану” (№ держ. реєстрації 0103U006049).

Мета роботи - розробка методу розрахунку параметрів процесу фільтрації метану з урахуванням напружено-деформованого стану вуглепородного масиву, що підробляється, для підвищення ефективності поточної дегазації.

Ідея роботи полягає у встановленні зв’язків між параметрами напруженого стану та проникністю гірського масиву і їх використанні для розробки методу розрахунку параметрів фільтраційних процесів у вуглепородному масиві, який порушено веденням очисних робіт.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі:

1. Узагальнити експериментальні дані та розробити модель зв'язку між компонентами тензора напружень і коефіцієнтами проникності гірського масиву.

2. Встановити критерій формування області фільтрації.

3. Розробити метод розрахунку параметрів фільтрації газу у напруженому шаруватому масиві гірських порід та виконати його верифікацію.

4. Визначити закономірності зміни параметрів фільтрації метану в залежності від коефіцієнту розвантаження порід покрівлі від гірського тиску та швидкості посування очисного вибою шляхом імітаційного комп'ютерного моделювання.

Об'єкт досліджень – газонасичений масив, який підробляється.

Предмет досліджень – процеси фільтрації метану у напружено-деформованому порушеному вуглепородному масиві навколо очисної виробки, яка рухається.

Методи досліджень. Мета роботи досягається шляхом застосування комплексного підходу, що містить у собі аналіз і узагальнення літературних та експериментальних даних, теоретичні дослідження, що базуються на методах механіки суцільних середовищ, чисельне моделювання із застосуванням методу скінчених елементів у тривимірній постановці.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

- вдосконалена модель зв'язку між компонентами тензору напружень та коефіцієнтами проникності гірського масиву, що базується на експериментальних даних та теоретичних узагальненнях і відрізняється від відомих тим, що дозволяє враховувати той факт, що проникність гірських порід підвищується тільки в тому разі, коли їх деформування відбувається із зростанням об'єму. Зокрема, враховуються відмінності, що виникають при різнокомпонентному і рівнокомпонентному навантаженні, при різних видах напруженого стану;

- уперше встановлено критерій формування області фільтрації у вуглепородному масиві, що підробляється, який дозволяє обмежити область гірського масиву, що підлягає дослідженню, і визначити геометричні параметри джерел виділення метану;

- уперше розроблено метод розрахунку параметрів фільтрації метану з урахуванням напружено-деформованого стану вуглепородного масиву, який дає достовірні результати, співпадаючі якісно і кількісно з відомими теоретичними та практичними даними. Розроблений метод являється засобом для багатопланових досліджень процесів фільтрації метану у порушеному масиві гірських порід із системою дегазаційних свердловин;

- уперше встановлені кількісні закономірності, які пов’язують зміну фільтраційних параметрів з коефіцієнтом розвантаження порід покрівлі від гірського тиску та швидкістю посування лави.

Основні наукові положення, що виносяться на захист:

1. Область фільтрації метану у гірському масиві, що підробляється лавою, обмежена поверхнею, яка описується рівнянням , поза межами якої масив знаходиться у пружному напружено-деформованому стані. Усередині області фільтрації із зростанням інтенсивності тріщиноутворення коефіцієнт проникності зростає в експонентній залежності від співвідношення компонент тензора головних напружень, коли 0,8 < Q < 1, а в області крихкого руйнування, коли Q > 1 і , сягає максимуму.

2. Багаторазове збільшення газовиділення та значне зростання швидкостей фільтрації метану у вугільних пластах і шарах пісковиків, що підробляються, відбувається у разі, коли відношення площі розвантаженої частини підробленого шару, де виконується умова Р < 0,1, до площі відпрацьованого вугільного пласта, що зветься коефіцієнтом розвантаження Крозв, перевищує критичне значення 0,65. При зміні його значення від 0,65 до 0,9 газовиділення з породного шару збільшується в 10 разів, середня швидкість - у 4 рази, максимальна – в 27 разів.

3. Ступінь дегазації пласта-джерела метану знаходиться у залежності ступеневого виду від Крозв, та гіперболічно зменшується з ростом швидкості посування лави, причому із збільшенням коефіцієнту розвантаження цього пласта від 0,6 до 0,87 зростає на 60 %, а із збільшенням швидкості посування лави від 3 до 10 м/доб знижується на 32 % при одночасному зростанні залишкового тиску у вугільних пластах, що підробляються, на 25 %.

Наукове значення роботи полягає у визначенні критерію формування області фільтрації та виявленні зв'язку між параметрами напруженого стану гірського масиву і фільтрацією газу в ньому; розробці метода розрахунку параметрів процесу фільтрації газу в залежності від напружено-деформованого стану гірського масиву, що підробляється; визначені закономірностей зміни фільтраційних параметрів в залежності від ступеню розвантаження порід покрівлі від гірського тиску та швидкості посування лави.

Практичне значення:

Розроблено метод розрахунку параметрів процесу фільтрації газу в залежності від напружено-деформованого стану гірського масиву, що підробляється, та отримані залежності параметрів фільтрації метану від геомеханічних і технологічних параметрів, які можуть бути застосовані для визначення раціональних параметрів системи дегазаційних свердловин у зоні впливу очисної виробки. Підвищення ефективності дегазації дозволяє отримати значний соціальний ефект: поліпшити безпеку праці шахтарів навколо очисного вибою, підвищити якість та кількість каптованого метану і зменшити забруднення атмосфери.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, одержаних результатів і висновків підтверджені коректністю поставлених задач, застосуванням ефективних чисельних методів їх розв’язання, використанням відомих законів механіки суцільних середовищ, позитивною верифікацією методу, яка проведена на основі порівняння з аналітичними та експериментальними даними.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи та результати досліджень доповідалися на: науково-практичній конференції “Геотехнології та управління виробництвом XXI сторіччя” (м. Донецьк, травень 2006 р.), Шостій промисловій міжнародній науково-технічній конференції “Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах” (с. Славське, Карпати, лютий 2006 р.), конференції молодих вчених ІГТМ ім. М.С. Полякова НАН України "Геотехнічні проблеми розробки родовищ" (м.Дніпропетровськ, 2004 р.), Третій міжнародній науково-практичній конференції “Метан вугільних родовищ України” (м. Дніпропетровськ, 2004 р.), наукових семінарах ІГТМ НАН України.

Особистий внесок здобувача полягає у самостійному формулюванні мети, ідеї та задач роботи, її наукових положень і висновків, аналізі джерел інформації, створенні методу розрахунку параметрів процесу фільтрації метану в зоні впливу очисних робіт з урахуванням їх залежності від напружено-деформованого стану гірських порід, що вміщують очисну виробку, проведенні обчислювальних експериментів, визначенні закономірностей фільтрації метану у вуглепородному масиві, що підробляється. Зміст дисертації викладено автором самостійно.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 10 наукових працях, у наукових фахових виданнях, з яких 2 без співавторів.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів, висновку і 8 додатків, і викладена на 134 сторінках машинописного тексту, який містить 66 малюнків, 6 таблиць і список використаних джерел із 111 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РАБОТИ

У першому розділі наведено аналіз робіт, присвячених проблемі вивчення процесів фільтрації метану у гірському масиві, який порушено проведенням очисної виробки, з урахуванням його напружено-деформованого стану.

Показано, що в останні роки у зв’язку із зростанням глибини ведення гірничих робіт кількість шахт у СНД з відносним виділенням метану, більшим ніж 15 м3/т, за 50 років зросла з 17 до 70 відсотків. При цьому темпи росту підземного видобутку вугілля зросли в 2,8 рази, а загального дебіту метану – в 25 разів.

При цьому об’єм каптованого метану у Донецькому басейні не перевищував 18 відсотків. Таким чином, більша частка метану все ж таки залишається у масиві, або викидається в атмосферу. Тому проблеми підвищення безпеки праці, зменшення дефіциту енергоносіїв, покращення екологічного становища сьогодні актуальні, як ніколи.

Обґрунтованість вибору параметрів технології видобутку вугілля, параметрів дегазаційної системи, забезпечення безпеки ведення очисних робіт залежать від адекватності уявлень про характер руху потоків метану у гірському масиві, який підроблено.

В останній час вченими України та зарубіжних країн накопичена значна кількість експериментальних даних щодо газової проникності порід при різних видах напруженого стану, дослідження зміни тиску метану у вугільних пластах, що підробляються, та багато іншого. Вагомий вклад у вивчення проникності гірських порід, процесів фільтрації метану у порушеному гірському масиві, дегазації вуглепородного масиву внесли вчені і фахівці ІГТМ, МакНДІ, ІПКОН РАН та інші науково - дослідні центри України та інших країн, до яких у першу чергу відносяться США, Китай, Канада, Австралія та Польща.

Але відомі методи дегазації не враховують характеру геомеханічних процесів, які відбуваються у вуглепородному масиві, відсутні методики визначення просторових та часових параметрів джерел газовиділення у гірничі виробки, що перешкоджає правильній організації робіт по дегазації, спрямованому закладанню дегазаційних свердловин на конкретні джерела газовиділення.

При розрахунках параметрів фільтрації метану у порушеному гірському масиві не враховується той факт, що область фільтрації має кінцеві межі, які залежать від технологічних параметрів розробки вугільного пласта і фізико-механічних властивостей кожного породного шару, що потрапляє до області фільтрації. Точне встановлення межі області фільтрації важливо ще й тому, що визначає, які з вугільних пластів та шарів газонасичених пісковиків, що підробляються, являються джерелами метановиділення до очисного вибою та виробок виїмкової дільниці, а також їх геометрію та розміри. Крім цього, фільтраційні властивості вугілля та різних гірських порід залежать від об’ємного напружено-деформованого стану, у якому вони знаходяться, і тут важливо, розтяг це чи стиск, рівнокомпонентне поле напружень чи різнокомпонентне, у якій області кривої напруження - деформації знаходиться геоматеріал – у пружній, інтенсивного тріщиноутворення чи поза межами міцності. Тобто коефіцієнт проникності у кожній точці вуглепородного масиву певним чином залежить від величини кожної компоненти тензору напружень у цій точці. У сучасній практиці моделювання процесів фільтрації немає теорії, яка б враховувала усі наведені особливості формування області проникності шаруватого гірського масиву, порушеного веденням очисних робіт.

В дисертації задача фільтрації метану розв’язується за допомогою принципово нового підходу, який має за мету попереднє вирішення задачі про знаходження параметрів напружено-деформованого стану гірських порід. Це надає можливості відокремити область фільтрації метану, знайти розподіл коефіцієнтів проникності в цій області, та розрахувати параметри фільтрації метану з максимально можливою точністю.

У другому розділі розроблено математичну модель процесу фільтрації метану у масиві гірських порід, що порушено веденням очисних робіт, у тривимірній постановці. Ця модель враховує: геологічні параметри (склад та просторове розташування кожного шару гірських порід, кут їх залягання, геометричні та фільтраційні параметри зон з підвищеною проникністю, якщо такі є); фізико-механічні параметри кожного шару гірських порід, які складають досліджувану область (модуль пружності, коефіцієнт Пуасона, зчеплення, кут внутрішнього тертя, міцність на розтяг та на стиск); фільтраційні параметри (газоносність порід, вміст метану у вільній формі, тиск метану у непорушеному масиві); технологічні параметри (глибина розробки, довжина лави, швидкість посування лави, розташування прилеглих виробок, наявність сусіднього виробленого простору) та параметри дегазаційної системи, якщо така є (кількість свердловин, відстань між ними, довжина, глибина герметизації, кут підйому до горизонту, кут розвороту від осі виробки).

Для розв’язування поставленої задачі застосовується чисельний метод скінчених елементів. Згідно з цим методом, порідний масив апроксимується призматичними скінченими елементами (СЕ) з шістьома вузлами. Матриця жорсткості всієї системи формується з матриць жорсткості окремих скінчених елементів, що моделюють порідний масив, шляхом підсумовування відповідно до глобальної системи нумерації вузлів.

Була виконана ретельна верифікація розробленої розрахункової моделі, що проводилася шляхом порівняння чисельних рішень з результатами аналітичних розв’язань щодо витікання метану у свердловину, пробурену по нерозвантаженому від гірського тиску вугільному пласту, щодо зміни тиску метану у вугільному пласту, що підробляється, та дебіту метану у свердловинах, які підробляються, при розташуванні у покрівлі зони тріщинуватих порід. Відносна похибка розрахунків при цьому не перевищувала 20 %.

Таким чином, розроблений метод розрахунку параметрів процесу фільтрації метану, таких як тиск, швидкість фільтрації, напрямки руху потоків метану, дебіт метану навколо очисної виробки, дозволяють з високим ступенем достовірності дослідити закономірності фільтрації метану у вуглепородному масиві, що підробляється. Запропонований метод являється засобом для багатопланового дослідження процесу фільтрації метану у масиві гірських порід, який порушено проведенням очисної виробки.

Третій розділ присвячено вивченню впливу параметрів напружено-деформованого стану гірських порід, що оточують очисну виробку, на їх проникність.

Для оцінки ступеню різнокомпонентності напруженого стану застосовується параметр наведеної різниці максимальної та мінімальної компонент головних напружень та наведена мінімальна компонента головних напружень, що характеризує можливий режим руйнування:

; .

У роботі показано, що в області непорушених порід, пружних деформацій та рівнокомпонентного стиску, де проникність практично дорівнює нулю, параметр Q < 0,7. Таким чином на межі області фільтрації повинна виконуватись умова Q = 0,7, тобто рівнянням поверхні, поза межами якої гірський масив практично непроникний, є Q(x, y, z) = 0,7.

При різнокомпонентному навантаженні в області початку мікророзтріскування (0,7 < Q < 0,8) зростання коефіцієнту проникності дуже незначне, тому що для цієї стадії навантаження характерно накопичення окремих, не взаємодіючих дефектів.

За межами пружності і до досягнення межі міцності, що відповідає області інтенсивного тріщиноутворення, відбувається некероване зростання тріщин. На даній стадії швидко збільшуються деформації за рахунок розповсюдження тріщин та розпушування порід. Ця область характеризується наступними значеннями параметра Q: 0,8 < Q < 1,0. В області інтенсивного тріщиноутворення коефіцієнти проникності зростають на 2-3 порядки у різних гірських породах. Пропускна здатність існуючих та тільки утворених фільтраційних каналів у цій зоні зростає із збільшенням різнокомпонентності навантаження. На поперечні та об’ємні деформації, і, таким чином, на тріщинуватість та проникність порід дуже впливає проміжне напруження . Із зростанням напружений стан наближується до рівнокомпонентного, при цьому збільшення об’єму геоматеріалу уповільнюється і величина його проникності зменшується.

За результатами експериментальних даних було побудовано функцію регресії для залежності коефіцієнта проникності від компонент тензора головних напружень :

,

при цьому похибка апроксимації складала 13,8 %.

Коли швидкість тріщиноутворення досягає максимуму, а напруження – межі міцності даної гірської породи, починається процес макроскопічного руйнування. Руйнування геоматеріалів може носити крихкий чи пластичний характер, від цього залежить проникність гірської породи. Крихке руйнування породи характеризується зростанням деформацій, розпушення і, відповідно, об’єму матеріалу. Воно викликає різке зростання проникності. Значення параметрів Q та Р в цій області: Q > 1,0; Р < 0,1. Коефіцієнт проникності набуває тут максимальних значень. У разі пластичного руйнування розпушування порід не відбувається, тобто тріщини, які розвиваються, закриті і їх краї щільно стиснуті.

Таким чином, проникність масиву можна визначити за допомогою наступних співвідношень:

Враховуючи наведені співвідношення, було отримано розподіл коефіцієнтів проникності у шаруватому гірському масиві навколо очисної виробки із типовою для шахт Донбасу побудовою покрівлі – вугільний прошарок розташований між двома шарами газонасичених пісковиків. На рис. 1 ці дані наведені у поперечних перерізах області, що досліджується.

Результати розрахунків показали, що область проникності з’являється насамперед у слабких породах – вугіллі та аргілітах, вже на відстані 10 м перед підходом лави. Потім вона поширюється й на більш міцні породи пісковиків. На відстані 10 м за лавою розрізнені частини області фільтрації об’єднуються у єдину область. На відстані 30 м за лавою з’являється зона підбутовки зруйнованих порід покрівлі, проникність у якій дещо зменшується.

У четвертому розділі наводяться отримані за допомогою розробленого методу розподіли тиску метану (рис. 2), траєкторій його руху (рис. 3) та інші фільтраційні параметри.

В області опорного тиску тиск метану у пісковиках і вугільному прошарку дещо перевищує початковий тиск метану у непорушеному масиві (рис. 2). Це трапляється в результаті механічного стиску та перекриття тріщинно-порових каналів. Області підвищеного тиску метану зникають на відстані 15 м після проходження лави, метан з них переміщується в області, де тиск має більш низькі значення (показані білим і світло-сірим кольором). З відходом лави області зниженого тиску метану зростають.

а) б)

в) г)

д) е)

Рис. 1. Розподіл значень коефіцієнтів проникності навколо очисної виробки

а) 10 м перед лавою, б) площина забою, в) 10 м за лавою,

г) 20 м за лавою, д) 30 м за лавою, е) 60 м за лавою

Задача даного розділу полягає у визначенні залежностей параметрів фільтрації метану від розвантаження порід покрівлі від гірського тиску та швидкості посування лави.

В непорушеному гірському масиві породи знаходяться у всебічно стиснутому напруженому стані, що утримує їх від руйнування навіть на дуже великих глибинах, при високих значеннях гірського тиску, які досягають десятків МПа. Руйнування порід починається при їх розвантаженні під час ведення гірничих робіт, коли різко зменшується вертикальна компонента тензора напружень. Тому найбільш повно розвантаження порід від гірського тиску характеризує величина параметру Р. Для оцінки ступеню розвантаження порідних шарів від гірського тиску введемо коефіцієнт розвантаження Кр, який дорівнює відношенню площі розвантаженої частини підробленого шару вугілля або пісковику, де виконується умова Р < 0,1, до критичної площі виробленого простору.

а) б)

в) г)

Рис. 2. Розподіл значень відносного тиску метану навколо очисної виробки

а) 10 м перед лавою, б) площина забою, в) 10 м за лавою, г) 30 м за лавою

а) б)

в) г)

д)

Рис 3. Траєкторії руху потоків метану навколо очисної виробки

а) 10 м перед лавою, б) площина забою, в) 10 м за лавою, г) 30 м за лавою; д) переріз уздовж ходу лави, по її центру

Зміна таких параметрів фільтрації, як швидкість фільтрації та газовиділення залежать від Кр (рис.3). При Кр < 0,65 ці параметри практично не змінюються, а при Кр > 0,65 відбувається їх різке зростання (в 4-27 разів).

Рис. 4. Зміна параметрів фільтрації в залежності від коефіцієнту розвантаження породних пластів Кр

Фізичний зміст цього явища полягає у тому, що різке зростання інтенсивності газовиділення та швидкостей фільтрації метану відбувається, якщо площа розвантаженого від гірського тиску вугільного пласта або пісковику складає не менш, ніж 65 % від відповідної площі виробленого простору.

Швидкість посування лави VОЗ також значно впливає на фільтраційні процеси, що відбуваються в гірському масиві навколо діючої лави. На підставі проведених обчислювальних експериментів було показано, що швидкість газовиділення вповільнюється, а значення залишкового тиску метану у вугільних пластах, що підробляються, підвищується з ростом швидкості посування очисного вибою.

Ступінь дегазації пласта - джерела метану - визначається як відношення різниці між природною g0 та залишковою gзал метаноносністю пласта до його природної метаноносності:

.

Ступінь дегазації залежить від коефіцієнта розвантаження та швидкості посування лави Vл наступним чином, рис. 5:

Рис. 5. Залежність ступеня дегазації від швидкості посування лави Vл та коефіцієнту розвантаження породних пластів Кр

Ці залежності апроксимуються наступними функціями із похибкою апроксимації відповідно 18,0 и 1,4 %:

Функція D(Kр, Vл) має вигляд:

Ступінь дегазації пластів - джерел метановиділення зростає із збільшенням коефіцієнту розвантаження та з уповільненням швидкості посування очисного вибою (рис. 6):

Рис. 6. Ступінь дегазації в залежності від коефіцієнту розвантаження та швидкості посування очисного вибою

Запропонований метод визначення фільтраційних параметрів було використано при розробці “Методики визначення фільтраційних параметрів гірського масиву і вибору оптимального напрямку буріння дегазаційних свердловин у зоні впливу діючої лави” для шахти “Красноармійска-Західна №1”.

В результаті її використання для системи дегазаційних свердловин, розташованих у зоні впливу очисної виробки, з параметрами, які представлені у табл. 1, були отримані розподіли тиску, траєкторій руху і дебітів метану.

Таблиця 1

Параметри дегазаційних свердловин

Свердловина | Довжина свердловини, L, м | Кут підйому до горизонту, , град | Кут розвороту від осі виробки, , град | Відстань між свердл., Lсв, м | Глибина герметизації, Lг, м

1 - 5 | 40 | 60 - 90 | 90 | 20 | 5

Розраховано залежності дебіту метану у свердловинах та довжини їх перетину зони зруйнованих порід від кутів їх нахилу до горизонту (табл. 2), а також знайдено кут нахилу свердловин до горизонту, при якому дебіт метану в них найбільший.

Таблиця 2

Дебіт метану в свердловинах

Кут нахилу , град | Свердл. №1 | Свердл. №2 | Свердл. №3 | Свердл. №4 | Свердл. №5

Дебіт метану в свердловинах, м3/хв

90 | 7,25 | 6,21 | 3,39 | 0,01 | 0,0

85 | 8,38 | 7,41 | 4,46 | 0,09 | 0,0

80 | 10,56 | 9,27 | 5,17 | 0,09 | 0,0

75 | 11,98 | 10,71 | 6,53 | 0,16 | 0,0

70 | 11,91 | 10,77 | 6,67 | 0,31 | 0,0

65 | 11,14 | 10,16 | 6,80 | 0,42 | 0,0

60 | 13,42 | 11,93 | 8,35 | 0,63 | 0,0

Перетин свердловиною зони обрушення порід, %

90 | 4,38 | 0 | 0 | 0 | 0

85 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0

80 | 3,98 | 3,98 | 3,98 | 0 | 0

75 | 7,61 | 7,61 | 3,80 | 0 | 0

70 | 11,93 | 7,96 | 3,98 | 0 | 0

65 | 15,91 | 15,91 | 11,93 | 0 | 0

60 | 26,63 | 15,22 | 15,22 | 0 | 0

Таким чином, завдяки тому, що запропонований метод базується на скінчено-елементній апроксимації, він дозволяє без значних труднощів досліджувати для конкретних гірничо-геологічних умов вплив структури масиву, фізико-механічних властивостей гірських порід, що його складають, на:

- параметри та закономірності фільтрації метану;

- напрямки його руху у порушеному веденням очисних робіт масиві;

- ефективність системи дегазаційних свердловин, розташованих безпосередньо у зоні впливу очисної виробки;

- виникнення джерел метановиділення, їх потужність, геометричні та часові параметри;

- утворення та параметри техногенних колекторів метану.

Але дослідження у двох останніх напрямках не являється метою даної роботи.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій отримано нове рішення актуальної науково-прикладної задачі розробки методу розрахунку параметрів процесу фільтрації метану з урахуванням напружено-деформованого стану вуглепородного масиву, що підробляється; шляхом теоретичного узагальнення результатів чисельного моделювання отримані закономірності зміни фільтраційних параметрів від коефіцієнту розвантаження порід та швидкості ведення очисних робіт, що має вагоме значення для підвищення безпеки та ефективності ведення гірничих робіт.

Основні наукові та практичні результати дисертації полягають у наступному.

1. Встановлені закономірності, що зв’язують коефіцієнти проникності в області фільтрації з параметрами напружено-деформованого стану гірських порід, які відрізняються від запропонованих раніше тим, що враховують зміну усіх трьох компонент тензору головних напружень, дозволяють враховувати той факт, що проникність гірських порід зростає тільки в тому разі, коли їх деформування відбувається із збільшенням об’єму.

2. Вперше запропоновано критерій утворення області фільтрації метану в масиві гірських порід, сформованої в результаті ведення гірничих робіт. Цей критерій полягає в умові перевищення приведеної різниці максимальної та мінімальної компонент тензора головних напружень значення 0,7.

3. Розроблено метод розрахунку параметрів процесу фільтрації метану у порушеному веденням очисних робіт масиві гірських порід з урахуванням зв’язку між компонентами тензору напружень та коефіцієнтами проникності гірського масиву, що дає достовірні результати, співпадаючі якісно та кількісно з відомими теоретичними та практичними даними.

Розроблений метод являється засобом для багатопланового дослідження процесу фільтрації метану у порушеному масиві гірських порід з системою дегазаційних свердловин і дозволяє легко дослідити для конкретних гірничо-геологічних умов вплив структури масиву, фізико-механічних властивостей гірських порід, що його складають, на:

- розподіл параметрів фільтрації метану та напрямки руху потоків метану у порушеному масиві гірських порід;

- утворення джерел метановиділення, їх потужність, геометричні та часові параметри;

- утворення та параметри техногенних колекторів метану,

а також вибирати раціональні параметри системи дегазаційних свердловин у зоні впливу очисної виробки.

4. Визначено закономірності зміни параметрів фільтрації метану в залежності від введеного коефіцієнту розвантаження порідних пластів від гірського тиску, що характеризують відносну зміну мінімальної компоненти тензору головних напружень у породному шарі, що розглядається. Показано, що основне зростання швидкостей фільтрації та газовиділення відбувається після досягнення коефіцієнтом розвантаження значення 0,65.

5. Встановлені закономірності зміни параметрів фільтрації метану в залежності від швидкості посування лави: при зростанні швидкості значення залишкового тиску метану у вугільному прошарку зростає, і спостерігається явище незначного відновлення тиску у 50 м за лавою. Показано, що ступінь дегазації вугільного пласта, що підробляється, відбувається за ступеневим законом та зростає на 60 % із зростанням коефіцієнту розвантаження цього пласту від 0,6 до 0,87 и зменшується на 32 % із зростанням швидкості посування лави від 3 до 10 м/добу; залишковий тиск у вугільних пластах, що підробляються, при цьому зростає на 25 %.

6. Розроблено та чинним порядком затверджено “Методику визначення фільтраційних параметрів гірського масиву і вибору оптимального напрямку буріння дегазаційних свердловин в зоні впливу діючої лави”, яка враховує вплив геомеханічних параметрів гірського масиву на геометрію області фільтрації та проникність гірських порід, що її складають; вплив різноманіття фізико-механічних властивостей шаруватого гірського масиву на формування полів тиску метану та швидкостей його руху.

7. Зазначена методика була впроваджена на шахті “Красноармейская-Западная №1” для розрахунку параметрів дегазаційної системи 1-ї Південної лави. Очікуваний економічний ефект складає 66 тис. грн. щорічно з однієї лави.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ

ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ:

1. Круковский А.П., Круковская В.В. Обзор существующих методов расчета напряженно - деформированного состояния и устойчивости массива горных пород. // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / НАН Украины ИГТМ. – Днепропетровск. – 2002. – № 36. – С. 178-186.

2. Круковская В.В. Математическое моделирование газовыделения из угольного пласта в очистном забое. // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / НАН Украины ИГТМ. – Днепропетровск. – 2003. – № 41. – С. 178-183.

3. Кияшко Ю.И., Круковская В.В. К расчету метановыделения из углепородного массива при работе высоконагруженных лав. // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / НАН Украины ИГТМ. – Днепропетровск. – 2003. – № 47. – С. 122-129.

4. Круковский А.П., Круковская В.В. Фильтрация газа в зоне влияния очистной выработки с учетом напряженно-деформированного состояния углепородного массива. // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / НАН Украины ИГТМ. – Днепропетровск. – 2004. – № 49. – С. 23-29.

5. Круковский А.П., Круковская В.В. Учет напряженно - деформированного состояния углепородного массива при расчете фильтрации газа в зоне влияния очистной выработки. // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / НАН Украины ИГТМ. – Днепропетровск. – 2004. – № 50. – С. 156-164.

6. Круковская В.В. К расчету фильтрации газа в трещиновато-пористой неоднородной среде. // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / НАН Украины ИГТМ. – Днепропетровск. – 2004. – № 51. – С. 257-265.

7. Круковский А.П., Круковская В.В. Фильтрация метана в слоистом массиве при различных видах напряженного состояния // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / НАН Украины ИГТМ. – Днепропетровск. – 2004. – № 53. – С. 207-214.

8. Круковский А.П., Круковская В.В. Течение двухкомпонентного газового потока в негерметичном трубопроводе. // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / НАН Украины ИГТМ. – Днепропетровск. – 2004. – № 55. – С. 73-82.

9. Фильтрация метана в слоистом массиве подработанных пород кровли. / Булат А.Ф., Лукинов В.В., Клец А.П., Круковский А.П., Круковская В.В. // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / НАН Украины ИГТМ. – Днепропетровск. – 2005. – № 58. – С. 83-92.

10. Булат А.Ф., Круковская В.В. Компьютерное моделирование фильтрации метана в подработанном горном массиве в трехмерной постановке. // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. / НАН Украины ИГТМ. – Днепропетровск. – 2005. – № 57. – С. 3-14.

АНОТАЦІЯ

Круковська В.В. Розробка методу розрахунку параметрів процесу фільтрації метану з урахуванням напружено-деформованого стану вуглепородного масиву, що підробляється. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність: 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”. – Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України, Дніпропетровськ, 2006 р.

Робота присвячена розробці методу розрахунку параметрів процесу фільтрації метану з урахуванням напружено-деформованого стану вуглепородного масиву, що порушено веденням очисних робіт та визначенню закономірностей фільтрації метану.

Розроблена математична модель, алгоритм та комплекс програм для дослідження фільтраційних процесів, що протікають в зоні впливу очисного вибою, з урахуванням зменшення метановиділення у часі. Для розв’язання поставленої задачі в тривимірній постановці застосовувався чисельний метод скінчених елементів.

Було проведено обчислювальні експерименти з метою визначення закономірностей зміни параметрів процесу фільтрації метану в залежності від коефіцієнту розвантаження порід покрівлі від гірського тиску та швидкості посування лави. Запропонований метод було застосовано також при створенні “Методики визначення фільтраційних параметрів гірського масиву та вибору оптимального напрямку буріння дегазаційних свердловин в зоні впливу діючої лави”, яка була впроваджена на шахті “Красноармейская-Западная №1”.

Ключові слова: вуглепородний масив, очисний вибій, проникність порушеного масиву гірських порід, фільтрація метану.

АННОТАЦИЯ

Круковская В.В. Разработка метода расчета параметров процесса фильтрации метана с учетом напряженно-деформированного состояния подрабатываемого углепородного массива. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность: 05.15.11 – “Физические процессы горного производства”. – Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины, Днепропетровск, 2006 г.

Работа посвящена разработке метода расчета параметров процесса фильтрации метана с учетом напряженно-деформированного состояния нарушенного ведением очистных работ углепородного массива и установлению закономерностей фильтрации метана. В отличие от существующих методов расчета параметров фильтрации, предлагаемый метод на основании экспериментальных и расчетных данных о напряженном состоянии подрабатываемого породного массива позволяет ограничить область фильтрации, рассчитать коэффициент проницаемости в каждой ее точке, определить параметры источников метановыделения в очистной забой и прилегающие выработки.

Разработанный метод дает достоверные результаты, совпадающие качественно и количественно с известными теоретическими и практическими данными.

Разработана математическая модель геомеханических и фильтрационных процессов, протекающих в зоне влияния очистного забоя, с учетом затухания метановыделения во времени. Для решения поставленной задачи в трехмерной постановке применялся численный метод конечных элементов.

С использованием разработанного метода были проведены вычислительные эксперименты с целью установления закономерностей изменения параметров процесса фильтрации метана в зависимости от степени разгрузки пород кровли от горного давления и скорости подвигания лавы. Разработанный метод был использован также при написании “Методики определения фильтрационных параметров горного массива и выбора оптимального направления бурения дегазационных скважин в зоне влияния действующей лавы”, которая была внедрена на шахте “Красноармейская-Западная №1”.

Кроме этого, его можно легко применить для исследования в конкретных горно-геологических условиях влияния структуры и строения массива, физико-механических свойств слагающих его горных пород на:

- распределение параметров фильтрации метана и направление движения потоков метана в нарушенном массиве горных пород;

- возникновение источников метановыделения, их мощность, геометрические и временные параметры;

- образование и параметры техногенных коллекторов метана.

Ключевые слова: углепородный массив, очистной забой, проницаемость нарушенного массива горных пород, фильтрация метана.

ANNOTATION

Krukovskaya V.V. Preparation method of calculation of methane filtration parameters with the account a mode of stressedly-deformed state of coal-rock mass. - The manuscript.

Thesis for scientific degree of the candidate of technical sciences on specialty 05.15.11 – "Physical processes of mining industry". – Institute of geotechnical mechanics by N.S.Poljakov of National science academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2006.

The offered method allows to limit area of a methane filtration, to calculate the coefficient of permeability in its each point, to define parameters of sources of a methane emission in stope and adjoining roadways on the basis of design data about the stressedly-deformed state of coal-rock mass. The developed method yields the authentic results conterminous qualitatively and quantitatively with known theoretical and practical data.

Developed algorithm and model allowed conducting numerical investigations of different relationships of methane filtration. In particular, dependences of change of filtrational parameters on factor of unloading of roof soils on a rock pressure and an advance rate of longwall are received.

Scientific results is developed and introduced at “Krasnoarmeyskaya-Zapadnaya №1”. The economic benefit of introduction of this method is obtained.

Keywords: coal-rock mass, stope, permeability, methane filtration.

Круковська Вікторія Вікторівна

Розробка методу розрахунку параметрів процесу фільтрації метану з урахуванням напружено-деформованого стану вуглепородного масиву, що підробляється

(Автореферат)

Підписано до друку 25.09.2006.

Формат 21х15/2. Папір офсетний. Друк ризографічний.

Тираж 100 прим. Замовлення № 127

Вiддруковано ЧП "Авантаж"

49000, м. Днiпропетровськ, вул. Комсомольська, 22/6