Метод учета избыточных газовых давлений при решении геомеханических задач современными компьютерными технологиями

Метод учета избыточных газовых давлений при решении геомеханических задач современными компьютерными технологиями

У статті запропонований метод урахування газових тисків у газонасиченому породному масиві і нова технологія комп’ютерного чисельного аналізу для його реалізації. The authors propose method of account the gas pressures in massif gas-saturated rock and new technology of the computer numerical analys...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Геотехническая механика
Date:2010
Main Author: Слащев, И.Н.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2010
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33495
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:Метод учета избыточных газовых давлений при решении геомеханических задач современными компьютерными технологиями / И.Н. Слащев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 88. — С. 112-118. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33495
record_format dspace
spelling Слащев, И.Н.
2012-05-28T15:00:59Z
2012-05-28T15:00:59Z
2010
Метод учета избыточных газовых давлений при решении геомеханических задач современными компьютерными технологиями / И.Н. Слащев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 88. — С. 112-118. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33495
622.831:622.261
У статті запропонований метод урахування газових тисків у газонасиченому породному масиві і нова технологія комп’ютерного чисельного аналізу для його реалізації.
The authors propose method of account the gas pressures in massif gas-saturated rock and new technology of the computer numerical analysis for its implementation.
ru
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
Геотехническая механика
Метод учета избыточных газовых давлений при решении геомеханических задач современными компьютерными технологиями
Method of account the excess gas pressure when solving geomechanical problems using modern computer technologies
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Метод учета избыточных газовых давлений при решении геомеханических задач современными компьютерными технологиями
spellingShingle Метод учета избыточных газовых давлений при решении геомеханических задач современными компьютерными технологиями
Слащев, И.Н.
title_short Метод учета избыточных газовых давлений при решении геомеханических задач современными компьютерными технологиями
title_full Метод учета избыточных газовых давлений при решении геомеханических задач современными компьютерными технологиями
title_fullStr Метод учета избыточных газовых давлений при решении геомеханических задач современными компьютерными технологиями
title_full_unstemmed Метод учета избыточных газовых давлений при решении геомеханических задач современными компьютерными технологиями
title_sort метод учета избыточных газовых давлений при решении геомеханических задач современными компьютерными технологиями
author Слащев, И.Н.
author_facet Слащев, И.Н.
publishDate 2010
language Russian
container_title Геотехническая механика
publisher Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
format Article
title_alt Method of account the excess gas pressure when solving geomechanical problems using modern computer technologies
description У статті запропонований метод урахування газових тисків у газонасиченому породному масиві і нова технологія комп’ютерного чисельного аналізу для його реалізації. The authors propose method of account the gas pressures in massif gas-saturated rock and new technology of the computer numerical analysis for its implementation.
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33495
citation_txt Метод учета избыточных газовых давлений при решении геомеханических задач современными компьютерными технологиями / И.Н. Слащев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 88. — С. 112-118. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT slaŝevin metodučetaizbytočnyhgazovyhdavleniiprirešeniigeomehaničeskihzadačsovremennymikompʹûternymitehnologiâmi
AT slaŝevin methodofaccounttheexcessgaspressurewhensolvinggeomechanicalproblemsusingmoderncomputertechnologies
first_indexed 2025-11-25T20:42:21Z
last_indexed 2025-11-25T20:42:21Z
_version_ 1850527645261889536
fulltext 112 – разделение в пространстве и во времени процессов добычи угля и дегаза- ции массива; – опережающая дегазация почвы отрабатываемого пласта и самого угольного пласта с использованием методов искусственного стимулирования газоотдачи; – опережающая дегазация разгруженной зоны на сопряжении ранее отрабо- танного и подготовленного к отработке выемочных столбов; – высокая устойчивость и долговечность скважин для текущей дегазации, пробуренных вслед за прохождением забоя лавы. Применение данной схемы дегазации углепородного массива при отработке угольных пластов, имеющих в почве газосодержащие источники, позволит по- высить безопасность ведения горных работ и увеличить нагрузку на очистной забой. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Петухов И. М. Теория защитных пластов/ И. М Петухов, А. М. Линьков. – М. : Недра, 1976. – 224 с. 2. Анциферов А. В. Эффективность использования защитных пластов для предотвращения газодинамиче- ских явлений / А. В. Анциферов, Д. И. Ходырев, В. А. Канин, А. В. Кузнецов // Уголь Украины. – 2002. – № 11. – С. 10 – 12. 3. Булат А. Ф. Концепция комплексной дегазации углепородного массива на шахте им. А. Ф. Засядько // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2003. – Вып. № 42. – С. 3 – 9. 4. Курносов С. А. Дегазация газонасыщенного углепородного массива при столбовой системе разработки пологих угольных пластов // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днеп- ропетровск, 2008. – Вып. № 74. – С. 215 – 222. 5. Курносов С. А. Дегазация массива с повторным использованием газосборной выработки / С. А. Курно- сов, И. Н. Слащев, В. Н. Сапегин, П. Е. Филимонов // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2009. – Вып. № 83. – С. 15 – 158. 6. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. – Л. : ВНИМИ, 1986. – 126 с. УДК 622.831:622.261 Канд. техн. наук И. Н. Слащев, (ИГТМ НАН Украины) МЕТОД УЧЕТА ИЗБЫТОЧНЫХ ГАЗОВЫХ ДАВЛЕНИЙ ПРИ РЕШЕНИИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ СОВРЕМЕННЫМИ КОМПЬЮТЕРНЫМИ ТЕХНОЛОГИЯМИ У статті запропонований метод урахування газових тисків у газонасиченому породному масиві і нова технологія комп’ютерного чисельного аналізу для його реалізації. METHOD OF ACCOUNT THE EXCESS GAS PRESSURE WHEN SOLVING GEOMECHANICAL PROBLEMS USING MODERN COMPUTER TECHNOLOGIES The authors propose method of account the gas pressures in massif gas-saturated rock and new technology of the computer numerical analysis for its implementation. С переходом горных работ на глубины ниже зоны газового выветривания влияние фактора избыточных газовых давлений на напряженно- деформированное состояние породного массива существенно возрастает. Это связано, во-первых, с частичным ограничением или невозможностью выхода 113 газа на поверхность и возрастанием газовых давлений в пластах, во-вторых, с появлением возможности дренирования газа по техногенным магистральным трещинам в подземные выработанные пространства и снижением газовых дав- лений в локальных зонах массива. В результате породный массив испытывает дополнительные нагрузки и разгрузки от сил избыточного давления газа, имеющие, чаще всего, зональный характер, обусловленный расположением в пространстве пластов газонасыщенных пород и степенью их разрушения под влиянием горных работ. В предельно напряженных породах газовый фактор может стать решающим для возникновения внезапных подвижек кровли и поднятий почвы горных вы- работок, отслоений больших объемов пород кровли, активизации динамических проявлений горного давления. Решение проблем прогноза длительной устойчи- вости выработок, повышения эффективности дегазации горных пород, качества планирования горных работ и управления горным давлением также связано с возможностью прогноза поведения газонасыщенного массива, точность которо- го зависит от корректности учета газовых давлений. Воздействие на породный массив газового давления исследовали, в основном, с точки зрения дегазации пластов, изменения проницаемости горных пород и оценки условий формиро- вания выбросов угля, пород и газа в краевой части горных выработок для пре- дотвращения этого опасного явления [1, 2]. Вместе с тем, прогноз напряженно- деформированного состояния (НДС) породного массива при совместном дейст- вии сил горного и газового давлений в условиях его высокой газонасыщенности затрагивается достаточно редко и имеет, несомненно, больше вопросов, чем от- ветов. В частности, недостаточно разработаны корректные методы прогноза со- стояния газонасыщенного массива и отсутствуют адекватные компьютерные технологии их реализации. Основная идея предлагаемого метода состоит в использовании близкой фи- зической сущности воздействия на породный массив горного и газового давле- ний в процессе его разупрочнения для их совместного учета в геомеханических моделях. При ведении горных работ горное давление в породах приводит к их всестороннему неравнокомпонентному сжатию или растяжению. Газовое дав- ление действует только в трещинно-поровом пространстве с одинаковой интен- сивностью во всех направлениях. Поэтому наибольшее влияние на характер деформирования породного массива давление газа оказывает в активный пери- од сдвижений до 50-60 суток после обнажения, когда происходит интенсивное развитие трещиноватости и разупрочнение пород. В этот период горное и газо- вое давление снижаются. Если падение напряжений на интервале от начала не- упругого деформирования до остаточной прочности представить коэффициен- тами изменения максимальных главных напряжений k и давления газа pk (изменяются от 0 при отсутствии напряжений до 1 в точке предела прочности) в зависимости от коэффициента изменения деформации k за время разупрочне- ния породы gt , рис. 1, то видно, что данные процессы имеют существенные от- личия (при построении использованы результаты одновременного определения 114 величины напряжений в массиве с помощью метода локального гидроразрыва и измерения давления газа в скважинах [3]). Прочность пород снижается быстро в зависимости от их хрупкости (происходит развитие магистральных трещин), в то же время газовое давление сохраняется на достаточно высоком уровне в за- висимости от фильтрационной способности массива. Так как развитие локаль- ных трещин не влечет за собой полную потерю несущей способности, то раз- рушенные породы имеют остаточную прочность и сохраняют остаточный уро- вень напряжений. Давление газа, напротив, имеет тенденцию только к сниже- нию и стремится к минимальному значению по причине фильтрации газа в вы- работанные пространства и горные выработки. Рис. 1 – Изменения коэффициентов спада напряжений и давления газа при ра- зупрочнении (для наглядности графики совмещены и показаны в сопоставимых координатах) Коэффициент gk характеризует отношение величины горного давления к величине газового давления в нетронутом массиве на глубине Н. Так как избы- точное газовое давление в нетронутом массиве определяется известной зависи- мостью НP в)0,18,0(  ( в – плотность воды) [4], а горное давление Н  ( – объемный вес вышележащих пород), то значение 48,033,0/1 gk . НДС газонасыщенного породного массива зависит от степени трещиновато- сти горных пород, возникающей при ведении горных работ. При объемном сжатии трещины, в основном, прорастают вдоль линии действия наибольших сжимающих напряжений и перпендикулярно линии действия сил наименьшего сжатия или сил растяжения, рис. 2. Так как в окрестности края изолированной трещины, как правило, происходит плоская деформация, то с учетом давления газа р максимальные и минимальные главные напряжения будут равны соот- ветственно 1+р и 3+р. Выделим следующие случаи: при 3 > р имеем случай всестороннего сжатия, рассматривается задача о совместном действии макси- мального сжимающего напряжения 1+р и минимального 3+р; при 3 < р имеем случай растяжения и дополнительного раскрытия трещин. 115 Рис. 2. – Схема совместного действия горного и газового давления в массиве с трещиной Увеличение горного и газового давлений до величины, равной пороговому значению и выше сопровождается резким понижением прочности пород. В ка- честве критериев начала разрушения массива в области неравнокомпонентного сжатия может быть принято условие Кулона-Мора, а в области растяжения – соотношение 050  p (0 - сцепление) [5], которые хорошо согласуются с экспериментальными результатами и не противоречат теории Гриффитса при оценке начала прорастания трещин на микроуровне. С учетом дополнительного давления газа критерий Кулона-Мора принимает вид 0 sin1 sin1 )()( 31     сж pp     , (1) где  – угол внутреннего трения, сж .– прочность на одноосное сжатие. Анализ критерия (1) показывает, что с возрастанием газового давления уве- личивается неравнокомпонентность поля напряжений, так как максимальная компонента тензора напряжений возрастает на большую величину, чем мини- мальная. Поэтому переход газонасыщенных пород в неупругое состояние про- исходит при меньших значениях геостатических напряжений, при этом газ с высоким сорбционным потенциалом может приводить к разупрочнению пород вплоть до их полного разрушения. Очевидно, что критерий разрушения не свя- зан с уравнениями равновесия, а является дополнительным условием при реше- нии задач предельного состояния. В условиях трещиноватых газонасыщенных пород невозможно получить точное аналитическое решение геомеханической задачи, поэтому в качестве основной технологии реализации предложенного метода рассмотрим компью- терное моделирование. Базовая технология компьютерного анализа включает реализацию заданной деформационной модели среды путем совмещения мето- да конечных элементов (МКЭ) и метода начальных напряжений (МНН) [6]. Ос- новной принцип расчета заключается в повторении упругих решений до тех пор, пока найденные упругие деформации не будут равны деформациям, соот- 116 ветствующим заданному закону пластического течения. При этом деформаци- онная модель в качестве граничных состояний может включать в себя как пла- стическое течение, так и хрупкое разрушение, что позволяет задавать любые промежуточные деформационные характеристики пород. Так как МКЭ использует принцип возможных перемещений, согласно кото- рому работа внешних сил равна работе внутренних напряжений (дискретный аналог закона сохранения энергии), то геомеханическая модель газонасыщен- ного породного массива может быть построена на основе совместной работы сил горного и газового давлений. Работа сил в модели равна произведению ве- личины силы на величину перемещения точки приложения в направлении ее действия. Работа сил газового давления вносит свой вклад в разрушение масси- ва, численно равный площади заштрихованной фигуры (рис. 1). Коэффициент увеличения работы газового давления гWk определяется из соотношения  dkkkkkkkk pgгWg   1 0 )]()([ . (2) Переходя к текущим значениям максимальных главных напряжений 1 и деформаций 1 модели на интервале от предельной упругой деформации ε1 у до деформации в точке перехода к остаточной прочности kплε1 у , дополнительная работа газового давления в зоне разупрочнения , (3) где плk – коэффициент, характеризующий степень пластичности породы (ско- рость падения напряжений в зоне разупрочнения); )( 1 p – функция снижения газового давления; )( 1  – функция снижения напряжений. Снижение напряжений при разупрочнении до полного разрушения породы (точки перехода к остаточной прочности) зависит от свойств материала, но в любом случае соблюдается закономерность, чем прочнее материал, тем больше у него выражены хрупкие свойства. Применение коэффициента плk дает воз- можность задавать любую интенсивность спада нагрузки. Обычно математическая модель строится на предположении, что снижение сопротивляемости породы на участке разупрочнения от предельного уровня напряжений пр 1 до остаточного ост 1 происходит линейно, а деформации при расчетном уровне напряжений определяются линейной интерполяцией по те- кущим значениям расчетных максимальных главных напряжений и деформа- ций в итерационной процедуре. Однако, как показано на рис. 1, процессы сни- жения прочности и давления газа носят выраженный нелинейный характер. Ес- ли кривые снижения горного и газового давлений в зоне разупрочнения диа- граммы «напряжение-деформация» представить полиномами третьей степени 117    dbakWk у пл у k n n n n n n n ngгg                1 1 3 0 3 0 , (4) где na и nb – регрессионные коэффициенты, задающие форму кривых падения газового и горного давлений соответственно (получены по фактическим дан- ным с точностью R 2 =0,96÷0,99, табл. 1). Таблица 1 – Значения регрессионных коэффициентов a0 a1 a2 a3 b0 b1 b2 b3 Значения 1 -0,243 0,22 -0,811 1 -2,74 3,102 -1,166 Интегрируя соотношение (4) получим полную дополнительную работу газа при разупрочнении породы на участке от ε1 у до kплε1 у :                3 0 1 1 3 0 1 1 3 0 1 1 1 1 1 1 1 1 n n nу nпл n n nу ng n n nу ngплгg b n kak n ak n kWk         у g уууу gпл n n nу n akaaaakkb n 10 4 13 3 12 2 1110 3 0 1 1 ()25,033,05,0( 1 1   )25,033,05,0()25,033,05,0 4 13 3 12 2 1110 4 13 3 12 2 11 уууу пл ууу bbbbkaaa   3 12 2 1110 4 1 3 1 2 110 33,05,0)(1()25,033,05,0( ууу плg уууу aaakkb   )25,033,05,0)(1()25,0 4 13 3 12 2 1110 4 13 уууу пл у bbbbka  ));(25,0)(33,0)(5,0)()(1( 33 4 122 3 111 2 1001 bakbakbakbakk g у g у g у g у пл   (5) для текущего значения деформации в зоне разупрочнения )).(25,0)(33,0)(5,0)()(1()( 33 4 122 3 111 2 1001 bakbakbakbakkkWk g у g у g у g у плгg    (6) Компьютерная реализация данного метода состоит в следующем. При окон- чании итерационного процесса решения геомеханической задачи получаем зна- чение напряжений 1 и деформаций 1 без учета давления газа, при этом со- стояние элементов модели оценивается по критерию (1). Для каждого элемента расчетной схемы вычисляется работа сил горного давления. Если деформация элемента попадает в зону разупрочнения у пл у k 111   , то дополнительная работа, реализованная силами давления газа при текущем значении деформа- ции 1 , рассчитывается по соотношению (6), а если у плk 11   , то учитывается полная работа по соотношению (5). Работы сил горного и газового давлений суммируются, вычисляется прирост напряжений и сил. Прирост сил автомати- чески распределяется между узлами расчетной схемы путем добавления к мат- 118 рице сил системы, устанавливается признак продолжения итераций. На каждой последующей итерации расчет приводит к увеличению напряжений и деформа- ций. Затем добавленные напряжения отнимаются путем обратных вычислений. Повторение итераций производится до тех пор, пока каждый элемент изучае- мой схемы при рассчитанном значении напряжений не будет иметь деформа- цию, соответствующую деформационной модели насыщенной газом породы. Таким образом, разработан метод и новая технология компьютерного моде- лирования напряженно-деформированного состояния пород, включающие учет внутрипластовых газовых давлений, которые применимы при отработке пара- метров горных работ на глубинах ниже зоны газового выветривания. Предло- женный метод более полно учитывает физическую сущность деформационных процессов в газонасыщенном массиве горных пород, и, вследствие этого, обла- дает повышенной достоверностью прогноза. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Закономерности изменения газовой проницаемости горных пород при переходе их из равнокомпонент- ного объемного напряженного состояния в разнокомпонентное / В. Г. Перепелица, В. С. Кулинич, Г. А. Шевелев, В. В Лукинов // Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2004. – Вып №. 61. – С. 12 – 17. 2. Лукинов В. В. Моделирование процесса выброса угля и метана вблизи тектонических нарушений / В. В. Лукинов, А. П. Круковский, В. В. Круковская // Матер. междунар. конф. «Форум горняков – 2007». Днеп- ропетровск: РИК НГУ, 2007. – С. 63 – 69. 3. Кулинич В. С. Влияние разгрузки и дегазации выбросоопасного массива песчаника на изменение его ме- ханических / В. С. Кулинич, Г. А. Шевелев // Уголь. – 1978. – № 3. – С. 26 – 27. 4. Аникиев К. А. Аномально высокие пластовые давления в нефтяных и газовых месторождениях / К. А. Аникиев. М. : Недра, 1964. – 361с. 5. Фадеев А. Б. Метод конечных элементов в геомеханике / А. Б. Фадеев. – М. : Недра, 1987. – 221 с. 6. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. – М. : Мир, 1975. – 238 с. УДК 553.17:622.357 Канд. геол. – мин. наук Л. Л. Шкуро, вед. инж. Г. Н. Горбачева (ИГТМ НАН Украины) ОЦЕНКА ГАЗОНОСНОСТИ ПЕСЧАНИКОВ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ, С УЧЕТОМ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОРИСТОСТИ И ВЛАЖНОСТИ Встановлені кількісні критерії зміни пористості, вологості і ступеню заповнення пор га- зом, які пропонується враховувати при прогнозній оцінці газоносності пісковиків у вуглепо- родному масиві. RATE OF GAS-CONTAIN OF SANDSTONES IS IN THE MOUNTAIN MAKING TAKING WITH INDICATOR ARE TAHE ACCOUNT OF POROSITY AND HUMIDITY Are presented the quantitative criteria of change porosity, humidity and degree of filling of pores to gas, which it is leted to take into account a gas-contain of sandstones in a coalroch array.

Similar Items