Экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков

На основі інструментальних, геофізичних і чисельних досліджень запропоновано метод експлуатаційного прогнозу напрямків та інтенсивності газових потоків у вуглепородному масиві глибоких шахт для обґрунтування параметрів сучасних схем дегазації з метою їх ефективного використання....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2005
Hauptverfasser:	Булат, А.Ф., Курносов, С.А., Слащёв, И.Н., Ефремов, И.А., Бокий, Б.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2005
Schriftenreihe:	Геотехнічна механіка
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/141293
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков / А.Ф. Булат, С.А. Курносов, И.Н. Слащёв, И.А. Ефремов, Б.В. Бокий // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2005. — Вип. 59. — С. 10-21. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-141293
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1412932025-02-09T14:49:43Z Экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков Experimentally - analytical method the prognosis of directions and intensity gas streams Булат, А.Ф. Курносов, С.А. Слащёв, И.Н. Ефремов, И.А. Бокий, Б.В. На основі інструментальних, геофізичних і чисельних досліджень запропоновано метод експлуатаційного прогнозу напрямків та інтенсивності газових потоків у вуглепородному масиві глибоких шахт для обґрунтування параметрів сучасних схем дегазації з метою їх ефективного використання. On the basis of experimental, geophysical and numerical studies the method of the operation prognosis of directions and intensity of gas streams in a rock mass of deep mines for calculation of arguments of the modern schemas of degasification is proposed with the purpose of their effective utilization. 2005 Article Экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков / А.Ф. Булат, С.А. Курносов, И.Н. Слащёв, И.А. Ефремов, Б.В. Бокий // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2005. — Вип. 59. — С. 10-21. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/141293 622.831.312 ru Геотехнічна механіка application/pdf Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	На основі інструментальних, геофізичних і чисельних досліджень запропоновано метод експлуатаційного прогнозу напрямків та інтенсивності газових потоків у вуглепородному масиві глибоких шахт для обґрунтування параметрів сучасних схем дегазації з метою їх ефективного використання.
format	Article
author	Булат, А.Ф. Курносов, С.А. Слащёв, И.Н. Ефремов, И.А. Бокий, Б.В.
spellingShingle	Булат, А.Ф. Курносов, С.А. Слащёв, И.Н. Ефремов, И.А. Бокий, Б.В. Экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков Геотехнічна механіка
author_facet	Булат, А.Ф. Курносов, С.А. Слащёв, И.Н. Ефремов, И.А. Бокий, Б.В.
author_sort	Булат, А.Ф.
title	Экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков
title_short	Экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков
title_full	Экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков
title_fullStr	Экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков
title_full_unstemmed	Экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков
title_sort	экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate	2005
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/141293
citation_txt	Экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков / А.Ф. Булат, С.А. Курносов, И.Н. Слащёв, И.А. Ефремов, Б.В. Бокий // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2005. — Вип. 59. — С. 10-21. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
series	Геотехнічна механіка
work_keys_str_mv	AT bulataf éksperimentalʹnoanalitičeskijmetodprognozanapravlenijiintensivnostigazovyhpotokov AT kurnosovsa éksperimentalʹnoanalitičeskijmetodprognozanapravlenijiintensivnostigazovyhpotokov AT slaŝëvin éksperimentalʹnoanalitičeskijmetodprognozanapravlenijiintensivnostigazovyhpotokov AT efremovia éksperimentalʹnoanalitičeskijmetodprognozanapravlenijiintensivnostigazovyhpotokov AT bokijbv éksperimentalʹnoanalitičeskijmetodprognozanapravlenijiintensivnostigazovyhpotokov AT bulataf experimentallyanalyticalmethodtheprognosisofdirectionsandintensitygasstreams AT kurnosovsa experimentallyanalyticalmethodtheprognosisofdirectionsandintensitygasstreams AT slaŝëvin experimentallyanalyticalmethodtheprognosisofdirectionsandintensitygasstreams AT efremovia experimentallyanalyticalmethodtheprognosisofdirectionsandintensitygasstreams AT bokijbv experimentallyanalyticalmethodtheprognosisofdirectionsandintensitygasstreams
first_indexed	2025-11-27T00:41:30Z
last_indexed	2025-11-27T00:41:30Z
_version_	1849902077009985536
fulltext	Выпуск № 59 10 УДК 622.831.312 Академик НАН Украины, д-р техн. наук, проф. А.Ф. Булат, канд. техн. наук С.А. Курносов, н.с. И.Н. Слащёв (ИГТМ НАН Украины), канд. техн. наук И.А. Ефремов, канд. техн. наук Б.В. Бокий (АП "Шахта им. А.Ф. Засядько") ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО – АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ПРОГНОЗА НАПРАВЛЕНИЙ И ИНТЕНСИВНОСТИ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ На основі інструментальних, геофізичних і чисельних досліджень запропоновано метод експлуатаційного прогнозу напрямків та інтенсивності газових потоків у вуглепородному масиві глибоких шахт для обґрунтування параметрів сучасних схем дегазації з метою їх ефе- ктивного використання. EXPERIMENTALLY - ANALYTICAL METHOD THE PROGNOSIS OF DIRECTIONS AND INTENSITY GAS STREAMS On the basis of experimental, geophysical and numerical studies the method of the operation prognosis of directions and intensity of gas streams in a rock mass of deep mines for calculation of arguments of the modern schemas of degasification is proposed with the purpose of their effective utilization. Обеспечение энергетической безопасности Украины является приоритетной задачей современной горной науки, решение которой связано не только с эф- фективной и безопасной добычей угля, но и с переходом предприятий угольной отрасли на энергосберегающие технологии с добычей дополнительного энерго- носителя – газа метана [1]. При повышении интенсивности горных работ и глубины разработки до 1000 м и более горнодобывающие предприятия столкнулись с дополнительны- ми проблемами, сдерживающими темпы добычи угля. Первая проблема связана с увеличением проявлений горного давления, в особенности в условиях, когда пласты залегают в слабых боковых породах и частично переходят в пластичное или разрушенное состояния впереди очистных и подготовительных забоев. Вторая связана с увеличением подвигания очистных и подготовительных выра- боток, вследствие чего растёт скорость обнажения и разрушения пород кровли, что при высокой метаноносности углепородного массива приводит к интенсив- ному их загазированию и снижению темпов добычи угля по газовому фактору. Эти обстоятельства предопределили необходимость предварительной дегаза- ции массива, а на ряде передовых шахт - трансформации её в добычу метана с применением эффективных, принципиально новых схем дегазации с использо- ванием специальных технологических выработок, так называемого «газового горизонта» (предложен ИГТМ НАН Украины и апробирован на шахте им. А.Ф. Засядько). "Геотехническая механика" 11 Комплексными исследованиями установлено, что эффективность дегазации и безопасность ведения горных работ существенно зависят от своевременного и качественного прогноза геомеханического и фильтрационного состояния угле- породного массива. Несмотря на то, что в угольной отрасли устойчивость со- оружений прямо сказывается на рентабельности работы предприятий, их экс- плуатационный прогноз практически отсутствует. При относительно удовле- творительной оснащённости шахт вычислительной техникой нет современных расчётных методик прогноза проявлений горного давления, выявления очагов скопления метана, а также их программного обеспечения, что не позволяет ре- шать широкий круг задач горного профиля в пределах необходимого времени, достаточного для своевременного принятия решений в процессе эксплуатации. Поэтому разработка таких методик является актуальной задачей. Анализ существующих методов прогноза направлений и интенсивности га- зовых потоков показал, что наиболее достоверным является экспериментально- аналитический подход, в котором точечные результаты комплексного инстру- ментального мониторинга используются в качестве исходных данных и гра- ничных условий для численного анализа с помощью компьютерных технологий на основе современных представлений о деформировании породного массива. Известно, что активная миграция метана − это следствие деформационных процессов, происходящих в углепородном массиве при проведении выработок и ведении очистных работ. В связи с этим, основополагающей задачей является определение параметров геомеханического поля напряжений и деформаций в окрестности горных выработок, определение исходной и эксплуатационной трещиноватости и, как следствие, - направлений и интенсивности газовых по- токов. Поэтому в основу метода прогноза должно быть положено решение двух взаимосвязанных задач – геомеханической и фильтрационной. В них опреде- ляются параметры деформирования горных пород под действием основных факторов нагружения и параметры фильтрации газа в выработки, исходными данными для которых являются результаты комплексного определения свойств и состояния массива. В этой связи предлагаемый метод прогноза должен учи- тывать как основные горно-геологические и горнотехнические факторы (тип и мощность слоёв кровли – почвы, отпоры крепи, движение лавы, элементы уси- ления и др.), так и конфигурацию, расположение зон неупругих деформаций и зон разрушения. Последним уделяется особое внимание, как участкам массива, где возникает и развивается эксплуатационная трещиноватость. Метод включает четыре этапа последовательного решения задачи прогноза. Первый этап заключается в анализе геологического строения и технологии ведения горных работ. Он включает сбор, обобщение и анализ данных о физи- ко-механических свойствах каждого слоя горных пород и технологических па- раметрах ведения очистных работ. По данным геологической службы, исследо- ваниям образцов горных пород, геофизического профилирования скважин, а при отсутствии экспериментальных исследований - по справочным данным, определяются: упругие и прочностные свойства пород (Е – модуль упругости, ν - коэффициент Пуассона, γ - объёмный вес, 0τ - сцепление, ϕ - угол внут- Выпуск № 59 12 реннего трения, рсж σσ , - прочность на одноосное сжатие и растяжение); сте- пень исходной трещиноватости массива; анизотропия прочностных и деформа- ционных свойств; мощность и структура залегания пластов; структурная нару- шенность пластов; геологические нарушения и степень ослабления пород; па- раметры исходного поля напряжений; водонасыщенность и размокаемость; технология крепления и способы поддержания выработок; силовые характери- стики воздействия крепей на окружающий массив; шаг посадки непосредствен- ной и основной кровли. На втором этапе – выполняется формирование геомеханической расчётной схемы изучаемого участка углепородного массива с учётом реальных условий разработки и исследование деформационных процессов методом поэтапного нагружения модели. Известно, что породный массив представляет собой сложноструктурную среду, процесс деформирования которой протекает с различной интенсивно- стью во времени со сложной и постоянно изменяющейся характеристикой зон разгрузки, повышенного горного давления и изменяющимися механическими свойствами. Применение обобщённых схем сдвижения для решения конкрет- ных задач устойчивости углепородного массива и фильтрации газа имеет огра- ниченные возможности и не позволяет детально исследовать процессы, проис- ходящие в непосредственной близости от подготовительных и очистных выра- боток в процессе их эксплуатации. Поэтому приняты следующие основные по- ложения, на которых базируется геомеханическая модель. Поскольку горные выработки являются микрообъектами для глобальной системы сдвижений и геодинамики пород, анализ деформационных процессов производится в призабойной части массива и зоне влияния выработок во вре- менном интервале, необходимом для извлечения угля. При этом определяются зоны повышенных деформаций, поскольку именно в них происходит процесс первичного зарождения новых трещин, которые, локализуясь, формируют фронт разрушения. Деформирование зарождается, в первую очередь, на плоскостях естествен- ной трещиноватости, продолжаясь на плоскостях эксплуатационной трещино- ватости по мере её возникновения, тогда как блоки, разделяемые этими трещи- нами, деформируются упруго [2]. Величины напряжений в предельно-напряжённых зонах рассчитываются с помощью метода конечных элементов (МКЭ), реализующего упругопластиче- скую модель среды с разупрочнением [3]. Параметры зон неупругих деформаций и зоны руинного разруше- ния (раскрытой трещиноватости) определяются управляемым итерационным процессом, который имитирует постадийное деформирование массива во вре- мени. Адаптация стадии деформирования к реальному времени производится по результатам шахтных экспериментов [4]. В качестве граничных условий используются реальные физико-механические свойства горных пород и расчётные для данных глубин нагрузки, реальные гео- метрические параметры исследуемых выработок, экспериментально определённое "Геотехническая механика" 13 силовое влияние очистных работ и паспортный отпор средств крепления [4, 5]. Расчётная схема является ключевым звеном в определении напряжённо- деформированного состояния, так как в ней задаются все основные влияющие факторы и граничные условия. В процессе создания расчётной схемы выпол- няются следующие предварительные операции: выделяются литологические разности углевмещающих пород; производится дискретизация исследуемой об- ласти сетью треугольных элементов, при этом, в местах детальных исследова- ний сеть сгущается до необходимых размеров; устанавливаются жёсткие связи и граничные условия; определяется силовое воздействие от веса вышележащих пород путём автоматического перерасчёта в заданные узловые силы; оконтури- ваются обнажённые поверхности в масштабе геометрического подобия; для ка- ждого элемента расчётной схемы задаются физико-механические свойства. МКЭ предусматривает применение многочисленных приёмов, позволяющих задать любые технологические и другие воздействия (в том числе и дополни- тельные поля напряжений от давления газа) на массив горных пород в процессе его нагружения от минимально до максимально возможных нагрузок, а также многообразие свойств деформирующейся среды. Применительно к решаемому типу задач учитываются следующие факторы: - геометрическое подобие реальным исследуемым объектам определяется масштабным коэффициентом; - мощность и порядок напластования углевмещающих пород уточняется по данным геофизического каротажа геологоразведочных скважин; - упругие и прочностные свойства пород получаются в лабораторных усло- виях для каждого слоя; - степень структурной нарушенности и снижения прочности пород опреде- ляются по данным лабораторных испытаний трещиноватых образцов или путём использования данных испытаний образцов аналогичных пород, при этом в расчётную схему заносятся пониженные прочностные свойства на величину ко- эффициента структурного ослабления; - на верхней границе расчётной схемы задают узловые силы, полученные путём перерасчёта распределённой нагрузки от веса вышележащей породной толщи; - в пределах исследуемой области вес каждого элемента определяется путём автоматического добавления вертикальных сил к каждому узлу, окружающему элемент, а для всей расчётной схемы - к силовой матрице системы; - в зависимости от характеристики применяемых крепей и средств усиления в узлах контактов либо прилагаются активные силовые воздействия, либо на- страиваются элементы расчётной схемы под режим работы соответствующего устройства; - прочностная анизотропия имитируется зависимостью сцепления по тре- щине к сцеплению в монолите, при этом учитывается, что с ростом отношения минимальной к максимальной компоненте тензора напряжений влияние струк- турных дефектов уменьшается и при достижении значения 0,4 практически равно нулю. Выпуск № 59 14 Влияние действующей лавы на проявления горного давления учитывается множителем [6, 7], который изменяется от 2,0 – 3,5 в зоне максимума опорного давления до единицы при выходе из зоны опорного давления, и определяется по результатам инструментальных измерений, а также литературным источни- кам [8]. Принимается, что преимущественное направление приложения допол- нительной нагрузки – перпендикулярное к вынимаемому пласту. Распределён- ные дополнительные нагрузки пересчитываются в заданные узловые силы. При отсутствии экспериментальных данных выполняются предварительные расчёты напряжённо - деформированного состояния, результаты которых используются в постановке граничных условий для последующих решений. Влияние избыточного газового давления учитывается по эмпирической зави- симости, которая и аппроксимирована формулой [9] )(097,0 атHP = , где H - глубина залегания источника газовыделения от поверхности, м. В редких случаях давление газа превышает гидростатическое в 1,02-1,22 раза, а в складчатых облас- тях - в 1,5-1,8 раза [10]. В последнем случае, избыточное давление принимается на основании экспериментов. Основным преимуществом МКЭ для решения поставленной задачи является возможность наложения различных по своему происхождению полей напряже- ний через приложение дополнительных нагрузок на соответствующие узлы и направления. Процедура МКЭ широко известна, поэтому остановимся только на основных моментах метода, используемых для решения поставленных задач. Для каждого дискретного элемента породного массива, после установки всех граничных условий, вычисляются теоретические напряжения и сравниваются с критериями прочности на сжатие и растяжение, в зависимости от того, каким нагрузкам подвергается элемент. На участке кривой нагружения породы до предела прочности на сжатие связь напряжений и деформаций упрощённо при- нята линейной. Предельные напряжения в области сжатия ограничены критери- ем Кулона. Прочность на растяжение - критерием 50τ ( 0τ - сцепление), кото- рая автоматически устанавливается равной нулю для элемента, разрушенного в условиях растяжения на предыдущей итерации. Соответствие стадии деформи- рования при имитационном моделировании реальному времени определяется данными шахтных экспериментов [4, 5]. Ввиду значительного объёма вводимой информации для расчётов применя- ется автоматизированный ввод-вывод информации [5]. Реализация математи- ческой модели осуществляется комплексом программного обеспечения «ГЕО- РС (v.5)» (разработан учёными ИГТМ НАНУ), который выполняет автоматизи- рованный ввод исходной информации, логическое конвертирование исходных баз данных в матрицы для непосредственного расчёта напряжённо- деформированного состояния, анализ полученных результатов для различных геомеханических ситуаций. Система использует стандартную процедуру МКЭ, совмещённую с известным методом начальных напряжений. Это позволяет вы- полнять расчёты упругопластической модели среды с разупрочнением за пре- делом прочности в режиме «реального времени». В результате расчётов на пе- чать выдаются значения и направления напряжений, деформаций, смещений и "Геотехническая механика" 15 сил для каждого элемента и узла расчётной схемы, а также признаки перехода элементов в неупругое (при сжатии) и "разорванное" (при растяжении) состоя- ние. Экспорт числовых значений параметров напряжённо-деформированного состояния в системы Exсel и Mathcad позволяет использовать для обработки любые графические модули Microsoft [11]. На третьем этапе - выполняется экспериментальная диагностика состояния массива, определение стадии деформирования и, в случае необходимости, кор- ректировка расчётной схемы. Экспериментальную диагностику массива прово- дят геофизическими и инструментальными методами, при этом адаптацию чис- ленной модели к реальным условиям делают по нескольким направлениям. Методами электрометрического профилирования и зондирования опреде- ляются границы зоны повышенной трещиноватости в горных породах вокруг выработок, а также в зонах ярко выраженных аномалий, в частности, вблизи и в зонах тектонических нарушений, а затем выполняется совмещение с расчётны- ми параметрами зон неупругих деформаций и определяется текущая стадия де- формирования. Выявляется зональность и расположение структурных ослабле- ний массива, что позволяет ввести дополнительные граничные условия в рас- чётную схему для уточнения полученных результатов. По данным измерений смещений глубинными реперными станциями вычисля- ется коэффициент трещинной пустотности и определяется расстояние от контура выработки до качественного снижения его значения. Затем сопоставляется дина- мика изменения зоны запредельного деформирования во времени с расчётными данными разрушения элементов при различных стадиях нагружения. Наблюдения за контурными реперами в выработке, установленными через 50- 100 м, засечками на арках крепи через 25-50 м, а также за глубинными реперами, установленными в кровлю и бока выработки на самых ответственных участках на глубину до 5-20 м, выполняются для выявления форм деформаций крепи и пуче- ния почвы, адаптации расчётной схемы к измеренным смещениям контура выра- боток. Исследование нагруженности крепи виброакустическим методом по всей длине штреков с частотой измерений через каждые 2,5-10 м позволяет установить участки выработки, на которых крепь работает в режиме заданной нагрузки, взаи- мовлияющей деформации, либо полностью разгружена. Это, в свою очередь, по- зволяет выполнить корректировку исходных отпоров для средств крепления, ус- тановленных по паспортным данным. На четвёртом этапе - выполняется анализ геомеханического состояния мас- сива, прогноз направления и интенсивности газовых потоков. В исследуемом массиве выделяются наиболее характерные зоны выемочно- го участка со сходными условиями деформирования, для которых создаётся от- дельная расчётная схема: в окрестности конвейерного штрека (зона 1); венти- ляционного штрека (зона 2); в очистном забое при различных скоростях подви- гания лавы (зона 3); в отработанном пространстве (зона 4), рис. 1. В предельно напряжённой зоне вблизи выработки при фильтрации газа в выработанное пространство происходит два противоположных процесса. Пер- вый – уплотнение пород вследствие их сжатия горным давлением (правая часть Выпуск № 59 16 рис. 2), и второй – рост количества и размера трещин, а также разрыхление по- род при запредельном деформировании в зоне обрушения от влияния преды- дущей лавы (левая часть рис. 2). Первый процесс ведёт к снижению фильтра- ции и, соответственно, к росту давления газа и преобладает вблизи зон макси- мального горного давления. Второй – более характерен для участков, прибли- женных к обнажениям, и приводит к падению давления газа при увеличении его фильтрации. Рис. 1 – Участки со схожими условиями деформирования (стрелками показаны направления рассматриваемых сечений) Рис. 2 – Главные напряжения по поперечным разрезам слоёв кровли "Геотехническая механика" 17 Анализ результатов расчётов напряжённо-деформированного состояния вы- полняется для всех характерных сечений, в том числе и в выработанном про- странстве, рис. 3. Рис. 3 – Главные напряжения по поперечным разрезам слоёв кровли в выработанном пространстве То обстоятельство, что величина газовых потоков, в первую очередь, зави- сит от разности газовых давлений на смежных участках, вызванных закрытием трещин в зонах наибольшего сжатия, и раскрытием – в зонах разрыва сплошно- сти, позволяет получить исходные данные для фильтрационного расчёта на базе МКЭ, основными из которых являются следующие. Главные сжимающие напряжения σ1 являются основными при определении направлений газопроводящих трещин [2, 12]. Механизм пластической дефор- мации связан со сдвигами по площадкам скольжения в запредельном состоя- нии, поэтому реализация условия предельного состояния в зоне неупругих де- формаций происходит на двух площадках, наклонённых к главному сжимаю- щему напряжению под углами [8]:       −±= 24 ϕπµ . (1) В результате анализа направлений главных и касательных (сдвиговых) на- пряжений τ для каждого элемента расчётной схемы, входящего в зону неупру- гих деформаций (ЗНД), определяется направление двух систем главенствую- щей техногенной трещиноватости. Строятся карты трещиноватости, которые корректируются по шахтным измерениям в подготовительных выработках, и Выпуск № 59 18 устанавливается предварительное направление газовых потоков от источников газовыделения в сторону полостей разгрузки. Зоны наибольшего и наименьшего сжатия используются для оценки сниже- ния или увеличения проницаемости массива. Численные значения определяют- ся по известным зависимостям [12]. ЗНД наиболее благоприятны для дегазации, так как в них массив приобретает дополнительную техногенную трещиноватость, а следовательно, повышенную (на несколько порядков) проводимость. С другой стороны, эти зоны ещё не подверг- лись руинному разрушению, поэтому следует надеяться на то, что дегазационные скважины не будут разрушены. В ЗНД породы разупрочнены, разбиты трещина- ми, через которые дренирует освободившийся газ. Породы, подвергшиеся разу- прочнению и разрыву (при растяжении), являются наиболее разрушенными и раз- груженными в массиве и служат аккумуляторами метано-воздушной смеси. Оче- видно, что дренаж газа из окружающих, менее разгруженных, пород, будет проис- ходить в сторону этих зон. С технологической точки зрения ЗНД более предпоч- тительны для дегазации, однако свободнее всего газ перемещается в зонах раз- рывной нарушенности. Для определения интенсивности газовых потоков предло- женный метод предусматривает использование зависимостей механики двухфаз- ных сред, и основывается на наложении поля эффективных напряжений (в скеле- те) на поле порового давления. С учётом того, что сжимаемость частиц скелета мала по отношению к общей сжимаемости породы, можно считать, что деформа- ция пористой среды равна изменению объёма порового пространства. Решение задачи фильтрационной консолидации производится путём совместного решения уравнений равновесия системы и уравнений фильтрации [13], при этом объёмная деформация элемента определяется выражением: q dt dp K n dt d V −=ε , (2) где n – пористость; K – модуль объёмной сжимаемости; p - поровое давление; q – объём газа в поровом пространстве. Процесс консолидации затухает во времени, поэтому используется лога- рифмический шаг во времени [14]: nn ptpttp αα ∆+−∆= −1)1()( , (3) где 1−np и np - давление в начале и конце интервала, α - коэффициент, завися- щий от вида функции: )1ln( 1 1 1 1 − − ∆+ − ∆ += n n ttt tα . (4) После выполнения расчётов напряжённо-деформированного состояния стро- "Геотехническая механика" 19 ятся графики функций давления газа в местах предполагаемой дегазации и рас- считывается дебит газоотводящих скважин, производится сравнение результа- тов моделирования и экспериментальных данных. В связи с тем, что объект ис- следований при геомеханическом моделировании доводится до полного разру- шения [5, 15], прогнозная оценка направлений и интенсивности газовых пото- ков выполняется для последующей стадии деформирования с учётом истоще- ния источников газовыделения. Результаты расчётов фильтрации на каждом этапе корректируются в соответствии с реальным газовыделением в выработки. Эксплуатационный прогноз облегчает поиск участков скопления и дренирова- ния метана. Анализируя вышеизложенное, можно выделить следующие особенности мето- дического подхода поэтапного решения задачи прогноза направлений и интенсив- ности газовых потоков: учитываются основные физико-механические свойства горных пород и технология ведения горных работ; определяются параметры де- формационных процессов, происходящих в углепородном массиве с учётом его разупрочнения, при этом многовариантный поиск решения задачи выполняется методом конечных элементов; адаптация модели к текущей стадии деформирова- ния производится по результатам шахтной экспериментальной диагностики, в том числе с привлечением геофизических методов; для определения газопроницаемо- сти участков породного массива используются параметры зон разрывных нару- шений и повышенной трещиноватости; применяется подход, при котором резуль- таты решения геомеханической задачи с учётом силового действия избыточного газового давления, являются базовыми для решения фильтрационной задачи; на- правление газовых потоков устанавливается по главенствующей эксплуатацион- ной трещиноватости с учётом зон неупругих деформаций, разгрузки и повышен- ного горного давления; учитывается расположение источников газовыделения; интенсивность газовых потоков определяется с учётом реальной газообильности и степени истощения источников метановыделения; используются эксперименталь- ные данные как для корректировки модели деформирования, так и для сравни- тельного анализа полученных результатов. Обоснованность и правильность выбранного направления методического подхода и основных его положений подтверждаются результатами натурных исследований, выполненных на шахтах А.Ф. Засядько и «Краснолиманская». Экспериментально доказано, что эффективность дегазации существенно за- висит от применяемой схемы дегазации и значительно повышается при исполь- зовании схем, предусматривающих наличие специальной выработки «газового горизонта», являющейся коллектором газа в процессе дегазации углепородного массива. При этом важную роль играют параметры заложения и охраны этой выработки, которые должны учитывать как геомеханические особенности очи- стных работ, так и процессы сдвижения массива в смежном выработанном про- странстве, ориентацию выработок относительно действия вектора главных на- пряжений, и обеспечивать устойчивость на весь период эксплуатации. Важное значение имеют также вопросы определения рациональных пара- метров бурения дегазационных скважин при дегазации угольных пластов и Выпуск № 59 20 вмещающих пород, которые должны включать: направление, длину, диаметр, углы наклона и разворота скважин, а также параметры их герметизации. Исследованиями установлено, что наиболее рациональным направлением бурения дегазационных скважин является их ориентация вдоль оси выработок навстречу забою лавы с отклонением от оси в сторону отработанного простран- ства. При этом метан в скважины поступает, в основном, из области разгружен- ного массива, расположенного на границе между выработанным пространством двух смежных лав. Дебит метана из скважин, расположенных вне зоны влияния лавы (более 700 м до лавы) не превышает 1-2 м3/мин. и постепенно увеличива- ется при приближении очистных работ. Однако, когда скважины попадают в зону опорного давления лавы (40-250 м) дебит метана снижается до 1 м3/мин, а затем, после пересечения лавой местоположения забоев скважин, увеличивает- ся до 10 м3/мин.. При этом, концентрация метана в газовоздушной смеси дости- гает 70 % и более. Установлено, что период изменения концентрации и дебита метана зависит от шага посадки основной кровли и может колебаться в боль- ших пределах. Анализ дебита метана из дегазационных скважин показал, что экономически целесообразно бурить большое количество коротких скважин (длиной 80- 100 м), чем длинных (250 м и более), так как длинные скважины в зоне обру- шения пород кровли разрушаются и перекрываются. Основным источником метана являются газоносные песчаники и пласты-спутники в купольных струк- турах над лавой, поскольку они легко отдают свободный и десорбированный газ в зонах разгрузки. Для условий пласта m3 шахты им. А.Ф. Засядько выявлены аномальные зоны повышенной трещиноватости углепородного массива вокруг выработок «газо- вого горизонта», вызванные влиянием отработки предыдущих лав, подработки и надработки массива подготовительными выработками, характеризующиеся смыканием трещин в результате периодической пригрузки, образованием но- вых трещин и закрытием старых. Повышенная трещиноватость сопровождается зональностью нагрузки на арочную крепь при расположении выработок в раз- груженных породах или в породах с повышенной прочностью (алевролиты). Нагрузки от минимальных (при расположении выработок в подработанном массиве, сложенном аргиллитами) возрастают в 2-2,5 раза (в зонах влияния очистных работ). По периметру выработок максимальная нагрузка приходится на верхняк крепи и почву. Влияние очистных работ начинает сказываться: по простиранию отрабатываемого пласта впереди забоя лавы на расстоянии 350- 300 м, активное влияние – на расстоянии 200-150 м, опорное давление лавы – 50-40 м; по восстанию пласта в результате взаимного влияния процессов сдви- жения в надугольной толще ранее отработанных лав и очистных работ в дейст- вующей лаве, активное опорное давление на выработки несколько снижено и проявляется на расстояниях 130-125 м и до 40 м, соответственно. Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования подтвер- дили достоверность экспериментально – аналитического метода прогноза на- правлений и интенсивности газовых потоков для сложных условий отработки "Геотехническая механика" 21 газоносных угольных пластов высоконагруженными лавами на глубоких гори- зонтах, что позволяют определить рациональные параметры прогрессивных схем дегазации. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Булат А.Ф. Концепция комплексной дегазации углепородного массива для условий шахты им. А.Ф. За- сядько // Геотехническая механика, 2002.- Вып. 37. - С. 10-17. 2. Линьков А.М., Ледус Е.В., Петухов И.М. Влияние скорости внедрения в массив горных пород на харак- тер его деформирования. – ФТРПИ, 1985, №1, - С. 34-48. 3. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. - М.: Недра, 1987. - 221 с. 4. Яланский А.А., Курносов С.А., Слащёв И.Н., Сафонов А.И. Методические особенности экспресс-оценки напряжённо-деформированного состояния породного массива вокруг подготовительных выработок глубоких шахт // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: Матер. ХV Межд. научн. школы.- Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2005. - С. 266-268. 5. Слащёва Е.А. Разработка экспресс-методики прогноза устойчивости геоматериалов по изменению их электропроводящих свойств под воздействием гидрогеологических факторов // Геотехническая механика, 2003. - Вып. 42.- С. 143-148. 6. Фотиева Н.Н. Расчёт обделок тоннелей некругового поперечного сечения. –М.: Стройиздат, 1974.-240с. 7. Амусин Б.З. Учёт влияния торца при расчёте нагрузок на крепь протяжённых выработок и камер // Шахтное строительство, 1979. - №12. - С. 15-18. 8. Булычов Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов. – М.: Недра, 1982. – 270 с. 9. Повышение безопасности труда в глубоких шахтах. Донецк: «Донбасс», 1973. - 245 с. 10. Аникиев К.А. Аномально высокие пластовые давления в нефтяных и газовых месторождениях. М.: Не- дра, 1964. - 361с. 11. Слащёва Е.А., Яланский Алекс. А. Автоматизированная статистическая обработка промежуточной и выходной информации программы «Геомеханика» на основе персональной ЭВМ // Геотехническая механика, 2002. - Вып. 40. -С. 102-105. 12. Петухов И.М., Линьков А.М. Механика горных ударов и выбросов, М.^ Недра, 1983. - 280 с. 13. Айруни А.Г. Основы предварительной дегазации угольных пластов на больших глубинах.. М.: Наука, 1970. – 80 с. 14. Hwang C. T., Morgenstern N.R., Murray D.W. On solution of plain strain consolidation problems by finite element methods. “Can. Geotech. J”. #109, 1971. – Р. 109-118. 15. Фадеев А.Б., Абдылдаев Э.К Расчёт деформируемости горных выработок с учётом разрыхляемости горных пород. – В кн.: Горные удары, методы оценки и контроля удароопасности массивов горных пород. Илим, Фрунзе, 1979. 126-134 с.

Экспериментально-аналитический метод прогноза направлений и интенсивности газовых потоков

Institution

Ähnliche Einträge