Изменение проницаемости угля и параметров течения метана на фронте выброса
Виконано чисельне моделювання процесу викиду вугілля та метану у вибої одиночної гірничої виробки. Проаналізовано зміну розподілів коефіцієнту проникності вугілля та параметрів течії метану на фронті викиду. Numerical modeling of process of coal and methane outburst in a working face of single openi...
Saved in:
| Published in: | Геотехническая механика |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України
2008
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31465 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Изменение проницаемости угля и параметров течения метана на фронте выброса / В.В. Круковская // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2008. — Вип. 78. — С. 34-42. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859716606025793536 |
|---|---|
| author | Круковская, В.В. |
| author_facet | Круковская, В.В. |
| citation_txt | Изменение проницаемости угля и параметров течения метана на фронте выброса / В.В. Круковская // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2008. — Вип. 78. — С. 34-42. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | Виконано чисельне моделювання процесу викиду вугілля та метану у вибої одиночної гірничої виробки. Проаналізовано зміну розподілів коефіцієнту проникності вугілля та параметрів течії метану на фронті викиду.
Numerical modeling of process of coal and methane outburst in a working face of single opening is executed. Change of distributions of coal permeability coefficients and parameters of methane flow at the outburst front is analyzed.
|
| first_indexed | 2025-12-01T08:12:19Z |
| format | Article |
| fulltext |
34 Выпуск № 78
УДК 622.831.332:551.24
Круковская В.В.
ИЗМЕНЕНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ УГЛЯ И ПАРАМЕТРОВ ТЕЧЕНИЯ
МЕТАНА НА ФРОНТЕ ВЫБРОСА
Виконано чисельне моделювання процесу викиду вугілля та метану у вибої одиночної
гірничої виробки. Проаналізовано зміну розподілів коефіцієнту проникності вугілля та пара-
метрів течії метану на фронті викиду.
CHANGE OF COAL PERMEABILITY AND PARAMETERS OF THE
METHANE FLOW AT THE OUTBURST FRONT
Numerical modeling of process of coal and methane outburst in a working face of single open-
ing is executed. Change of distributions of coal permeability coefficients and parameters of methane
flow at the outburst front is analyzed.
Выбросы угля, породы и газа представляют собой сложное природное явле-
ние, возникающее в шахтах в результате нарушения горными работами равно-
весного состояния напряженного газонасыщенного массива [1]. Одним из ме-
тодов его изучения является имитационное компьютерное моделирование фи-
зических процессов, основанное на численном решении системы уравнений,
которые описывают данное явление.
Рассмотрим процесс течения газа в трещиновато-пористой среде, которая
деформируется под действием сил горного давления во время проведения оди-
ночной горной выработки. Нестационарное напряженно-деформированное со-
стояние породного массива в окрестности горной выработки, проницаемость
среды и нестационарное изотермическое движение газа в нарушенном массиве
описываются системой уравнений [2]:
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( )
<
>=
<<
<
=
+=
=+
∂
∂
∂
∂+
∂
∂
∂
∂+
∂
∂
=
∂
∂=+++
−
−
;1,0 при
;8,0 при ),(
;8,07,0 при
0,7;Q при 0
,
;
;0,,
;,, ,)()()(
max
65,458,2
min
2
2
,
2
31
Pk
Qetf
Qk
tk
kkk
tq
y
p
tk
yx
p
tk
xt
p
yxji
t
u
tPtTtX
t
tt
ij
ijтехн
текттехн
г
г
ijij
г
г
i
пiijij
σ
σσ
σ
σ
ρ
µσσ
ρ
µ
ρσ
(1)
где jij,σ - производные от компонент тензора напряжений по x, y; t - время;
)(tX i - внешние силы; )(tTi – силы, вызванные внутренним трением,
tuctT igi ∂∂−=)( ; сg – коэффициент демпфирования, определяемый экспери-
"Геотехническая механика" 35
ментально; iu - перемещения; )(tP - сила давления газа;
пρ - плотность поро-
ды;
гρ - плотность газа;
гµ - вязкость газа; p - его давление; )(tq - интенсив-
ность источников газовыделения; k - полное поле коэффициентов проницаемо-
сти пород;
технk - технологическая проницаемость, вызванная перераспределе-
нием поля напряжений в результате проведения горной выработки; ),( yxkтект
-
начальная, тектоническая проницаемость, которая развивается в углях в резуль-
тате тектонических процессов и является основным фактором их выбросоопас-
ности; HQ γσσ )( 31 −= и HP γσ 3= - геомеханические параметры.
Для математического описания процесса перехода горных пород в нару-
шенное состояние применяется условие прочности Кулона-Мора, которое учи-
тывает возможность возникновения разрушения, как в результате сдвига, так и
в так и в результате отрыва [3, 4].
Начальные и граничные условия:
( )
;0
;0
);,(
1,0 ;
;8,0
;8,0
;
;
;
4
3
2
1
0
0
0
0
=
=
=
==
⋅=
⋅=
=
=
=
Ω
Ω
Ω
Ω
=
=
=
=
y
x
тект
vv
водыt
водыt
tzz
txx
tyy
u
u
yxfk
МПа;ppp
hp
hp
h
h
h
γ
γ
λγσ
λγσ
γσ
(2)
где γ - усредненная плотность вышележащих горных пород; h - глубина разра-
ботки; λ - коэффициент бокового распора; водыγ - плотность воды; ( )t1Ω - изме-
няющаяся во времени граница области фильтрации; 2Ω - внутренний контур
(выработка); 3Ω - вертикальные границы внешнего контура; 4Ω - горизонталь-
ные границы внешнего контура; vp - давление воздуха в выработке.
Чтобы получить решение системы (1) на определенном временном проме-
жутке, применяется конечно-разностный метод. При этом считается, что в на-
чальный момент времени t = 0 распределение напряжений и давления задано, и
для достаточно малых значений t∆ с помощью итерационных соотношений [5]
получаем распределение напряжений, давления метана, скоростей его течения и
расходов на момент времени tt ∆+ . Этот процесс продолжается от исходного
состояния до любого текущего момента времени.
36 Выпуск № 78
Расчеты проводятся с применением метода конечных элементов. Шаг по
времени составляет 0,1 с.
Рассмотрим случай, когда забой выработки высотой 3 м находится на рас-
стоянии 7,75 м от тектонического нарушения типа «сброс» с амплитудой сме-
щения 1 м (рис. 1), вокруг которого находится десятиметровая зона перемятого
угля. Мощность угольного пласта 1,5 м, глубина проведения выработки – 1200
м. Газоносность угля – 20 м3/т, содержание метана в свободной форме – 10 %,
в сорбированной – 90 %. Вмещающая порода – аргиллит.
Рис. 1 – Центральный фрагмент конечно-элементной сетки
При выполнении расчета получим распределение геомеханических и
фильтрационных параметров в различные моменты времени. На рис. 2 показа-
ны изобары относительного давления метана вокруг выработки и рост полости
выброса во время протекания динамических процессов.
Время протекания динамического процесса – 11 с. На первых секундах про-
исходит инициация выброса; в интервале 2-10 с – собственно процесс выброса,
на 10-11 с – его затухание. В течение этого времени давление метана в уголь-
ном пласте вблизи выработки быстро падает, градиенты давления и скорость
течения метана принимают очень высокие значения, проницаемость угля стре-
мительно растет – происходит вынос угля и образование полости в угольном
пласте (рис. 2, а-д), длина которой достигает 6,5 м при данных условиях. Затем
рост полости останавливается (рис. 2, е), скорости течения метана падают, дав-
ление метана в угольном пласте продолжает медленно снижаться – геомехани-
ческие процессы и процесс течения газа возвращаются к квазистационарному
режиму.
Рассмотрим, как изменяется проницаемость угля, рис. 3, давление, рис. 4,
расход, рис. 5, и скорость течения метана, рис. 6, на фронте выброса в течение
всего процесса.
"Геотехническая механика" 37
а)
б)
в)
г)
д)
е)
а) t = 2 c; б) t = 4 c; в) t = 6 c; г) t = 8 c; д) t = 10 c; е) t = 12 c
Рис. 2 – Рост длины полости выброса и относительное давление метана ( 0/ pp )
38 Выпуск № 78
а)
б)
Рис. 3 – Характер изменения проницаемости угля на фронте выброса в различные моменты
времени в зависимости от расстояния до а) забоя выработки, б) свободной поверхности
фронта выброса
По кривым проницаемости, рис. 3, б, отчетливо прослеживается деление
процесса на стадии инициирования (самая темная кривая, t = 0,2 c), протекания
(кривые t = 2-10 c) выброса и его затухания (светлые кривые t > 10 c). Также
видно, что значительное – в 5-9 раз – увеличение фоновой проницаемости про-
исходит на расстоянии 0,1-0,3 м от свободной поверхности фронта выброса, что
подтверждается данными экспериментальных наблюдений [6].
Давление метана, рис. 4, б, в течение основного времени протекания процес-
са (t = 2-10 c) резко падает с 8 МПа в глубине массива до 0,1-2 МПа на свобод-
"Геотехническая механика" 39
ной поверхности полости выброса. Причем такое резкое падение давления про-
исходит на расстоянии всего лишь 0,15 м. Это говорит об огромной величине
градиентов давления метана на этом промежутке, которые обуславливают раз-
витие скоростей течения метана, достаточных для разрыва расслоившегося угля
на мелкие пластинки и выноса их на большие расстояния вглубь выработки.
На стадии затухания кривые давления метана при t = 12; 14 и 16 c заметно
выполаживаются, величина градиентов давления метана уменьшается на поря-
док.
а)
б)
Рис. 4 – Изменение распределения давления метана в зависимости от расстояния до
а) забоя выработки, б) свободной поверхности фронта выброса
в различные моменты времени
40 Выпуск № 78
Можно заметить, рис. 4, что давление метано-воздушной смеси внутри по-
лости выброса в течение процесса выброса увеличивается с 0,1 до 3 МПа. Это
происходит из-за частичного или полного перекрытия поперечного сечения вы-
работки массой разрушенного угля, временного повышения давления воздуха в
самой выработке. Изменение граничных условий – повышение давления метана
на контуре полости выброса – является одним из условий затухания процесса
выброса угля и газа, что отмечал и автор книги «Динамика выбросов угля, по-
роды и газа» [1] – докт. техн. наук, профессор Шевелев Г.А.
а)
б)
Рис. 5 – Расход метана по центральной оси выработки в зависимости от расстояния до
а) забоя выработки, б) свободной поверхности фронта выброса
в различные моменты времени
"Геотехническая механика" 41
На рис. 5 показаны кривые расходов метана по центральной оси выработки в
различные моменты времени. Причем положительные значения расходов озна-
чают приток метана за счет его десорбции, отрицательные – выход метана в ат-
мосферу выработки. Как видно из рис. 5, б, основной приток метана в трещин-
ное пространство угля, максимальная интенсификация десорбционных процес-
сов происходит на стадии протекания процесса выброса (t = 2-10 c) на расстоя-
нии 0,05-0,25 м от свободной поверхности. В атмосферу выработки максималь-
ное количество метана выделяется в этот же период времени.
а)
б)
Рис. 6 – Изменение скоростей течения метана в зависимости от расстояния до а) забоя
выработки, б) свободной поверхности фронта выброса в различные моменты времени
42 Выпуск № 78
На рис. 6 показано изменение скоростей течения метана в различные момен-
ты времени. Видно, что при инициировании выброса (t < 2 c) происходит рост
скоростей фильтрации, угол наклона кривых увеличивается и достигает макси-
мума на протяжении основной стадии процесса (кривые t = 2-10 c), на расстоя-
нии 0,1-0,25 м от поверхности полости выброса. На этапе затухания угол на-
клона кривых резко уменьшается, максимальная скорость течения метана на
фронте выброса уменьшается в 6-7 раз.
Выводы. В результате анализа результатов численного моделирования про-
цесса выброса угля и метана в забое одиночной выработки показано, что
- отчетливо прослеживается деление процесса на стадии инициирования,
протекания выброса и его затухания;
- значительное увеличение фоновой проницаемости происходит на расстоя-
нии 0,1-0,3 м от свободной поверхности фронта выброса;
- давление метана в течение основного времени протекания процесса резко
падает с 8 МПа в глубине массива до 0,1-2 МПа на свободной поверхности по-
лости выброса, на расстоянии 0,15 м; градиенты давления метана на этом про-
межутке принимают большие значения, что обуславливает развитие скоростей
течения метана, достаточных для разрыва расслоившегося угля на мелкие пла-
стинки и выноса их на большие расстояния вглубь выработки;
- давление метано-воздушной смеси внутри полости выброса увеличивается
с 0,1 почти до 3 МПа из-за частичного или полного перекрытия поперечного
сечения выработки массой разрушенного угля и временного повышения давле-
ния воздуха в самой выработке;
- основной приток метана в трещинное пространство угля, максимальная
интенсификация десорбционных процессов происходит на стадии протекания
процесса выброса на расстоянии 0,05-0,25 м от свободной поверхности, в атмо-
сферу выработки максимальное количество метана выделяется в этот же пери-
од времени;
- при инициировании выброса (t < 2 c) происходит рост скоростей фильтра-
ции, угол наклона кривых увеличивается и достигает максимума на протяжении
основной стадии процесса на расстоянии 0,1-0,25 м от поверхности полости
выброса; на этапе затухания угол наклона кривых резко уменьшается, макси-
мальная скорость течения метана на фронте выброса уменьшается в 6-7 раз.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Шевелев Г.А. Динамика выбросов угля, породы и газа. – К: Наук. думка, 1989. – 160 с.
2. Круковская В.В. Изучение параметров процесса выброса угля и газа с использованием компьютерного
моделирования //Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных по-
родах и выработках: Матер. XVII Межд. науч. школы. – Симферополь: Таврич. нац. ун-т, 2008. – С. 152-154.
3. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. – М.: Недра,
1984. – 415 с.
4. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. – М.: Мир, 1969. – Т. 1. –648 с.
5. Круковская В.В. Решение объемной задачи нестационарной фильтрации метана из угольного пласта в
выработку методом конечных элементов. // Геотехническая механика: Сб. научн. тр./НАН Украины ИГТМ. –
Днепропетровск, 2007. - № 69. – С. 240-248.
6. Трифонова Н.В. О закономерностях изменения газодинамических параметров зоны разрушения в про-
цессе выброса. // Выбросы угля, породы и газа: Сб. научн. тр. /НАН Украины ИГТМ. – К.: Наукова думка,
1976. – С. 60-64.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-31465 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1607-4556 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T08:12:19Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Круковская, В.В. 2012-03-09T12:01:46Z 2012-03-09T12:01:46Z 2008 Изменение проницаемости угля и параметров течения метана на фронте выброса / В.В. Круковская // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2008. — Вип. 78. — С. 34-42. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31465 622.831.332:551.24 Виконано чисельне моделювання процесу викиду вугілля та метану у вибої одиночної гірничої виробки. Проаналізовано зміну розподілів коефіцієнту проникності вугілля та параметрів течії метану на фронті викиду. Numerical modeling of process of coal and methane outburst in a working face of single opening is executed. Change of distributions of coal permeability coefficients and parameters of methane flow at the outburst front is analyzed. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України Геотехническая механика Изменение проницаемости угля и параметров течения метана на фронте выброса Change of coal permeability and parameters of the methane flow at the outburst front Article published earlier |
| spellingShingle | Изменение проницаемости угля и параметров течения метана на фронте выброса Круковская, В.В. |
| title | Изменение проницаемости угля и параметров течения метана на фронте выброса |
| title_alt | Change of coal permeability and parameters of the methane flow at the outburst front |
| title_full | Изменение проницаемости угля и параметров течения метана на фронте выброса |
| title_fullStr | Изменение проницаемости угля и параметров течения метана на фронте выброса |
| title_full_unstemmed | Изменение проницаемости угля и параметров течения метана на фронте выброса |
| title_short | Изменение проницаемости угля и параметров течения метана на фронте выброса |
| title_sort | изменение проницаемости угля и параметров течения метана на фронте выброса |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31465 |
| work_keys_str_mv | AT krukovskaâvv izmeneniepronicaemostiuglâiparametrovtečeniâmetananafrontevybrosa AT krukovskaâvv changeofcoalpermeabilityandparametersofthemethaneflowattheoutburstfront |