Перераспределение метана в призабойной зоне угольного пласта
Виконані шахтні експерименти та лабораторні вимірювання модулів всебічного стиснення та зсуву вугілля доводять, що метан перерозподіляється у привибівній зоні пласта таким чином, що він скупчується в області максимуму опорного тиску, а також в зонах збільшеної пористості та пониженого модулю зсуву....
Saved in:
| Date: | 2013 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
2013
|
| Series: | Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57206 |
| 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: | Перераспределение метана в призабойной зоне угольного пласта / Э.П. Фельдман, Г.П. Стариков, Н.А. Калугина, Е.А. Навка // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2013. — № 13, ч. 1. — С. 85-99. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-57206 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-572062025-02-23T18:32:12Z Перераспределение метана в призабойной зоне угольного пласта Methane Redistribution in the Face Zone of Coal Bed Фельдман, Э.П. Стариков, Г.П. Калугина, Н.А. Навка, Е.А. Виконані шахтні експерименти та лабораторні вимірювання модулів всебічного стиснення та зсуву вугілля доводять, що метан перерозподіляється у привибівній зоні пласта таким чином, що він скупчується в області максимуму опорного тиску, а також в зонах збільшеної пористості та пониженого модулю зсуву. Збільшення тиску метану на цих ділянках може складати від 15 до 55 % по відношенню до віддалених ділянок пласта. Обґрунтовано теоретичну модель. Underground experiments and laboratory measurements of coal compression and shear moduli prove that methane is redistributed in the face zone of coal bed such that it is accumulated in the zone of maximum bearing pressure and also in the zones of increased porosity and decreased shear modulus. Increase in pressure in these zones can be 15–55 % in relation to coal bed distant sections. Grounds are given for the proposed abstract model. 2013 Article Перераспределение метана в призабойной зоне угольного пласта / Э.П. Фельдман, Г.П. Стариков, Н.А. Калугина, Е.А. Навка // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2013. — № 13, ч. 1. — С. 85-99. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 1996-885X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57206 622.831:537.86 ru Наукові праці УкрНДМІ НАН України application/pdf Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Виконані шахтні експерименти та лабораторні вимірювання модулів всебічного стиснення та зсуву вугілля доводять, що метан перерозподіляється у привибівній зоні пласта таким чином, що він скупчується в області максимуму опорного тиску, а також в зонах збільшеної пористості та пониженого модулю зсуву. Збільшення тиску метану на цих ділянках може складати від 15 до 55 % по відношенню до віддалених ділянок пласта. Обґрунтовано теоретичну модель. |
| format |
Article |
| author |
Фельдман, Э.П. Стариков, Г.П. Калугина, Н.А. Навка, Е.А. |
| spellingShingle |
Фельдман, Э.П. Стариков, Г.П. Калугина, Н.А. Навка, Е.А. Перераспределение метана в призабойной зоне угольного пласта Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
| author_facet |
Фельдман, Э.П. Стариков, Г.П. Калугина, Н.А. Навка, Е.А. |
| author_sort |
Фельдман, Э.П. |
| title |
Перераспределение метана в призабойной зоне угольного пласта |
| title_short |
Перераспределение метана в призабойной зоне угольного пласта |
| title_full |
Перераспределение метана в призабойной зоне угольного пласта |
| title_fullStr |
Перераспределение метана в призабойной зоне угольного пласта |
| title_full_unstemmed |
Перераспределение метана в призабойной зоне угольного пласта |
| title_sort |
перераспределение метана в призабойной зоне угольного пласта |
| publisher |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| publishDate |
2013 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57206 |
| citation_txt |
Перераспределение метана в призабойной зоне угольного пласта / Э.П. Фельдман, Г.П. Стариков, Н.А. Калугина, Е.А. Навка // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2013. — № 13, ч. 1. — С. 85-99. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| series |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT felʹdmanép pereraspredeleniemetanavprizabojnojzoneugolʹnogoplasta AT starikovgp pereraspredeleniemetanavprizabojnojzoneugolʹnogoplasta AT kaluginana pereraspredeleniemetanavprizabojnojzoneugolʹnogoplasta AT navkaea pereraspredeleniemetanavprizabojnojzoneugolʹnogoplasta AT felʹdmanép methaneredistributioninthefacezoneofcoalbed AT starikovgp methaneredistributioninthefacezoneofcoalbed AT kaluginana methaneredistributioninthefacezoneofcoalbed AT navkaea methaneredistributioninthefacezoneofcoalbed |
| first_indexed |
2025-11-24T10:47:50Z |
| last_indexed |
2025-11-24T10:47:50Z |
| _version_ |
1849668425139355648 |
| fulltext |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013
85
УДК 622.831:537.86
ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТАНА В ПРИЗАБОЙНОЙ
ЗОНЕ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
Фельдман Э. П., Стариков Г. П., Калугина Н. А.,
Навка Е. А.
(ИФГП НАНУ, г. Донецк, Украина)
Виконані шахтні експерименти та лабораторні вимірюван-
ня модулів всебічного стиснення та зсуву вугілля доводять, що
метан перерозподіляється у привибівній зоні пласта таким чи-
ном, що він скупчується в області максимуму опорного тиску, а
також в зонах збільшеної пористості та пониженого модулю
зсуву. Збільшення тиску метану на цих ділянках може складати
від 15 до 55 % по відношенню до віддалених ділянок пласта. Об-
ґрунтовано теоретичну модель.
Underground experiments and laboratory measurements of coal
compression and shear moduli prove that methane is redistributed in
the face zone of coal bed such that it is accumulated in the zone of
maximum bearing pressure and also in the zones of increased porosity
and decreased shear modulus. Increase in pressure in these zones can
be 15–55 % in relation to coal bed distant sections. Grounds are giv-
en for the proposed abstract model.
Одним из факторов, осложняющих отработку угольных пла-
стов, является высокая изменчивость метановыделения, приво-
дящая нередко к интенсификации газодинамических явлений и
загазированию забоев. Частота и размеры аварий, вызванных
этими явлениями, в последние годы, достигли критических зна-
чений и связаны, как правило, с взрывами метана с групповыми
несчастными случаями. Учитывая неизбежность, в настоящее
время, подземной разработки газоносных угольных месторожде-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013
86
ний, ухудшения горно-геологических условий и роста нагрузок,
приобретает высокую актуальность проблема диагностики фак-
тического распределения давления метана в призабойной зоне
угольных пластов.
В этом плане обоснован целый ряд физических моделей [1-
4], посвященных оценке изменения условий газообмена между
сорбционным и свободным объемами и процесса массопереноса
газа вблизи обнажения. Пласт описывается как трещиновато-
блочная среда, в которой массоперенос метана происходит за счет
фильтрации по трещинам по закону Дарси, а движение сорбиро-
ванного газа подчиняется закону Фика. Анализ полученных реше-
ний свидетельствует, что для построения эпюры распределения
давления газа впереди забоя очистной или подготовительной вы-
работки необходимо в соответствующие уравнения вводить изме-
нения пористости и проницаемости угля по глубине призабойной
зоны, которые, в свою очередь, зависят от параметров зоны опор-
ного давления и практически им не соответствуют. Поэтому, как
правило, расчетные значения распределения давления не коррели-
руют с эпюрой горного давления, имеющей установленный, как
теоретически, так и экспериментально выраженный максимум на
расстоянии 2-4 м от поверхности забоя вглубь массива.
Рассмотрим результаты экспериментальных исследований
изменчивости распределения метана в участках угольного масси-
ва по скорости газовыделения метана из шпуров (gн), пробурен-
ных на глубину до 3,5 м по пласту d4 в блоке № 10 шахты «Крас-
ноармейская-Западная № 1».
Этот пласт по всей площади шахтного поля характеризуется
относительной выдержанностью, относится к тонким и средним
по мощности пластам, которая колеблется от 0,60 до 2,58 м. Угол
падения пласта изменяется от 3 до 8 (вне зон влияния геологиче-
ских нарушений). Природная газоносность пласта d4 находится в
пределах 10,7–25,0 м3/т с.б.м., весовой выход летучих составляет
Vdaf = 28,3–32,8 %, коэффициент крепости угля f = 0,8–1,2 по шка-
ле М. Протодьяконова. Имеет место широко развитая мелкоам-
плитудная нарушенность в пределах шахтного поля, и в первую
очередь в блоках № 2, 3, 6, 8 и 10.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013
87
Блоки № 2–5 отнесены к угрожаемым, а блоки № 6 и 8 – к
опасным по выбросам угля и газа. Отдельный участок выемочно-
го столба 4-й южной лавы пласта d4 в блоке № 10 отнесен к угро-
жаемым по выбросам на основании проведенной экспертной
оценки.
К анализу принимались отрезки большой (90–100 м) протя-
женности, которые включали участки с зонами горно-
геологических нарушений (ГГН) и без них (т.е. нормальные
условия залегания пласта).
Вначале был выполнен анализ изменчивости gн в 4-м южном
конвейерном штреке блока № 10 с пикета ПК 10+5,0 м по ПК
19+6,5 м, т.е. на участке длиной более 90 м. Анализируемый уча-
сток характеризуется высокой тектонической нарушенностью и
наличием зон ГГН: микросбросов, взбросов, надвигов и т.д. В бло-
ке № 10 ведется текущий прогноз выбросоопасности по начальной
скорости газовыделения из шпуров gн согласно п. 6.3.1 [5], которую
измеряют на интервалах 1,5; 2,5 и 3,5 м. Анализируемый участок
был разбит на 15 сравнительно однородных участков по gн
(табл. 1). По каждому шпуру определяли суммарное значение газо-
выделений Σgшп.i на интервалах бурения: 1,5; 2,5 и 3,5 м. Далее рас-
считывали среднее арифметическое значение (текущий параметр)
суммарной скорости газовыделения по шпуру gшп.i для каждого из
15 участков. Для всей анализируемой зоны ГГН установлена зако-
номерность чередования участков с повышенными и пониженными
значениями gшп.i, а общее среднее арифметическое значение Σgшп.i
(генеральное среднее или фоновое) составило: гg = 2,73 л/мин с ко-
эффициентом изменчивости kизм= 1,82.
Аналогичные результаты были получены на другом участке
длиной более 100 м, характеризующемся нормальными условия-
ми залегания пласта и наличием зон ГГН различных типов с ам-
плитудами А= 0,50–1,0 м. Следует отметить, что чередование зон
с повышенными и пониженными значениями gшп.i было обна-
ружено не только в зонах ГГН, но и на участке с нормальными
условиями залегания пласта.
Для 3-го и 4-го конвейерных штреков пласта d4 блока № 10
было рассчитано удельное значение средней скорости газовыде-
ления:
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013
88
г
шп.i
g
g гg
B
. (1)
Таблица 1
Результаты измерений газовыделения из шпуров в
подготовительные выработки пласта d4 блока № 10
Номер
участка
Длина
участка, м
Количество
шпуров, шт
Средняя скорость газовы-
деления на участке gшп.i,
л/мин
4-й южный конвейерный штрек
(зоны ГГН, ãg = 2,73 л/мин, kизм= 1,82)
1 6,0 12,0 1,91
2 3,5 8,0 3,69
3 5,0 8,0 1,36
4 3,5 6,0 1,84
5 1,5 4,0 3,32
6 10,5 16,0 2,39
7 4,0 6,0 4,09
8 7,0 12,0 2,62
9 1,5 2,0 5,79
10 1,0 4,0 1,50
11 6,0 8,0 2,91
12 11,0 14,0 2,54
13 1,0 4,0 4,33
14 4,0 6,0 0,92
15 5,0 8,0 1,84
3-й южный конвейерный штрек
(нормальные условия, ãg = 2,16 л/мин, kизм= 1,28)
1 3,5 8,0 1,42
2 5,5 10,0 2,37
3 2,0 6,0 1,82
4 3,5 6,0 3,62
5 1,5 4,0 1,14
6 3,0 6,0 2,79
7 1,5 4,0 1,30
8 2,0 4,0 2,64
9 3,0 6,0 3,51
10 3,0 6,0 1,38
11 10,5 14,0 2,64
12 4,5 8,0 1,92
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013
89
График изменения показателя В по длине вышеуказанных
выработок представлен на рисунке 1. Анализ приведенных ре-
зультатов свидетельствует, что в зонах ГГН величина параметра
В возрастает в среднем на 68 %.
Рис. 1. Изменение показателя В по длине 3-го (кривая 1) и 4-
го (кривая 2) южных конвейерных штреков блока
№ 10: 1 – нормальны её условия; 2 – зона ГГН
Из анализа представленных результатов следует, что суще-
ствующие теоретические и экспериментальные методы не позво-
ляют достоверно оценить степень перераспределения метана в
призабойной части пласта. Ввиду этого целью настоящей работы
является экспериментальное определение перераспределения ме-
тана в зоне опорного давления и теоретическое подтверждение
установленных закономерностей.
Для решения поставленных задач в ИФГП НАН Украины
был разработан и прошел испытания шахтный измеритель массо-
переноса метана [6] и нормативный документ «Правила опреде-
ления газоносности угольных пластов и давления метана измери-
телем кинетики массопереноса (СОУ 10.1.246447077.001.2012).
Результаты исследований по распределению давления метана в
призабойной зоне пластов h6
1 – Смоляниновский и k3 – Колпаков-
ский на шахтах им. А. А. Скочинского и Комунарская в условиях
очистных и подготовительных забоев приведены в таблице 2.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013
90
Анализ представленных результатов свидетельствует, что газовая
эпюра имеет максимум на расстоянии 2-3 м от поверхности за-
боя, фактически в области пика горного давления и снижается
вглубь массива. В среднем давление метана непосредственно в
призабойной зоне пласта может превышать давление на глубине
4-5 м в 1,55 раза.
Таблица 2
Результаты измерения давления метана и параметров
массопереноса в призабойной зоне пластов h6
1 и k3
№
п/п
Место
измерений
Давление метана
(кг/см2) по глубине
скважины, м
Коэффици-
ент массо-
перенса,
м2/с·10-6
Примеча-
ния
2 3 4 5
1
Нижняя ни-
ша 2-й за-
падной лавы
пл. h6
1 гор.
1300м
5,2 3,6 2,4 0,068
Газодина-
мические
явления в
виде вне-
запного
отжима
2 2 5,9 4,1 0,016
3 7,4 7,1 2,1 0,054
4 3,1 5,9 5,0 0,0086
5 7,1 14,8 10,1 0,017
6 4,4 10,1 9,1 0,07
7 6,1 9,1 7,7 0,009
8 3,1 6,9 4,1 0,0056
9 4,2 7,9 3,5 0,022
10 11-я восточ-
ная лава пл.
k3, гор. 700 м
10,4 3,5 0,0015
11 8,1 4,5 0,038
12 Конвейер-
ный штрек
пл. k3
13,5 4,8 0,0015
13 10,1 4,9 0,01
Полученные результаты свидетельствуют, что в области
предельного состояния угольного пласта (призабойная зона) ини-
циируется несколько одновременно протекающих процессов,
обеспечивающих, с одной стороны, снижение проницаемости
угольного массива, с другой стороны аккумулирование метана в
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013
91
непосредственной близости от поверхности очистного или подго-
товительного забоев. Наличие первого процесса подтверждается
результатами экспериментальных исследований степени влияния
напряженно-деформированного состояния угля на его газовую
проницаемость [7]. Установлено, что коэффициент фильтрации
при уровне шарового тензора более 50 МПа составляет Кф > 10-10,
и фактически создает непроницаемый барьер, многократно сни-
жающий кинетику десорбции метана из глубины пласта. Этот
вывод, в общем, подтверждается результатами теоретических ис-
следований, приведенных в начале статьи. Для оценки степени
перераспределения и аккумуляции метана в зоне неоднородно
распределенного давления (зона опорного давления) воспользуе-
мся представлениями статистической физики, из которых следу-
ет, что однородным в условиях термодинамического равновесия
следует считать не давление газа, а его химический потенциал.
Для этого необходимо вычислить для пласта термодинамический
потенциал Гиббса вместе с содержащимся в угле метаном и затем
минимизировать этот потенциал по отношению к перераспреде-
лению давления газа.
Рассмотрим призабойную зону угольного пласта и обозна-
чим через P давление метана в порах, а через Pm – внешнее (гор-
ное) давление на пласт. Для вычисления упругой энергии уголь-
ного каркаса [16] представим угольный массив в виде шарооб-
разных областей радиуса R2, содержащие полости радиуса R1, за-
полненные метаном (рис. 2). Вычислим упругую энергию каркаса
как сумму упругих энергий всех таких областей.
Учитывая известное [8] решение задачи о деформациях и
напряжениях шара с концентрической шаровой полостью, под-
верженного действию внутреннего и внешнего давления, прихо-
дим к формуле для упругой энергии рассматриваемой области:
G
RRPP
K
RPPR
RR
E mm
упр 43
2 3
2
3
1
223
2
3
1
3
1
3
2
, (2)
где K и G – модули всестороннего сжатия и сдвига соответ-
ственно.
Учтем теперь, что отношение
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013
92
2
2
3
1
R
R
(3)
имеет четкий физический смысл пористости угля.
Рис. 2. Схема, характеризующая структуру зоны опорного
давления
Тогда для плотности упругой энергии угля получим выра-
жение, содержащее лишь достаточно надежно определяемые в
лабораторных и шахтных экспериментах параметры:
2
2
)(
4
3)(
)1(2
1
, PP
GK
PP
PP m
m
mупр
. (4)
Поскольку упр выражена через давление, она является
упругой составляющей плотности термодинамического потенци-
ала Гиббса газоугольного материала. Плотность потенциала Гиб-
бса газа, находящегося в фильтрационном объеме равна
T
g P
P
P ln , (5)
где P – давление метана в участке угольного пласта;
х
Р
x,
G
, K
Рm
K = f(σ)
G = f(σ)
R1
R2
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013
93
PT – величина размерности давления, зависящая от темпера-
туры и рода газа.
Добавляя к упр плотность потенциала Гиббса газа, находя-
щегося в порах, найдем плотность потенциала Гиббса рассмат-
риваемого нами угольно-газового массива:
T
m
m
m P
P
PPP
GK
PP
PP ln)(
4
3)(
)1(2
1
);( 2
2
. (6)
Ввиду неоднородности пласта его упругие модули K и G, а
также пористость могут быть разными, что обычно наблюдается
при шахтных измерениях. Кроме того, при проведении горных
работ становится неоднородным внешнее давление mP . Концен-
трация напряжений, вызванная наличием полости (выработки) в
горном массиве, в максимуме (зоне опорного давления) может в
несколько раз превышать напряжения в нетронутом массиве [9].
Во всех этих случаях давление газа перераспределяется по пла-
сту. Чтобы выяснить характер пространственного изменения дав-
ления газа в состоянии равновесия, следует минимизировать тер-
модинамический потенциал газоугольного материала по отноше-
нию к перераспределению давления газа в пласте, при условии,
что отсутствуют как утечка газа из пласта, так и поступление газа
в пласт. Следовательно, необходимо учесть условие сохранения
суммарного количества метана в пласте. В таком случае условие
термодинамического равновесия пластового газа состоит в одно-
родности его химического потенциала :
const
n
, (7)
где
T
P
n – плотность газа, T – абсолютная температура.
Сорбция метана в блоках угольного вещества изменяет дав-
ление метана в меру его растворимости. Поскольку практически
всегда растворимость метана в угле не превышает 210 , то при
первичных расчетах давлений сорбцией метана допустимо пре-
небречь.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013
94
Использование формул (6) и (7) дает возможность в ряде
практически важных случаев указать локализацию участков по-
вышенного давления газа и оценить относительное изменение
давления газа на этих участках. С этой целью заметим, что кон-
станту, стоящую в правой части (7), можно получить, считая, что
при x мы переходим на нетронутый массив.
Таким способом мы получаем рабочее соотношение:
.
4
31
4
3
1
1
)(
4
31
)(
4
3
1
1)(
ln
m
m
P
GK
P
GK
xP
GK
xP
GKP
xP
(8)
Символ соответствует участку пласта, удаленному от гео-
логической или техногенной неоднородности, сосредоточенной
вблизи точки x. При использовании (8) следует иметь в виду, что
упругие модули и пористость тоже могут зависеть от x.
Для оценки степени влияния горного давления и упругих
характеристик угля (K, G) на распределения метана в пласте было
смоделировано на установке трехосного нагружения [10-11]
напряженно – деформированное состояние элемента угольного
пласта, аналогичное его состоянию в зоне опорного давления.
Для исследований использовались угольные образцы, отобран-
ные на угрожаемом по внезапным выбросам угля и газа пласте
k3 – Колпаковский, отрабатываемого на глубине 650 м на шахте
Коммунарская. Результаты измерений и расчета упругих модулей
приведены в таблице 3.
Рассмотрим частные случаи, представляющие наибольший
интерес.
1. Характеристики материала однородны, а внешнее давле-
ние неоднородно. Тогда G = G∞, K = K∞ и γ = γ∞. При рассмотре-
нии угольного материала слагаемыми, содержащими в знамена-
теле модуль всестороннего сжатия K можно пренебречь в сравне-
нии со слагаемыми, содержащими модуль сдвига G. В углях
средней степени метаморфизма, согласно экспериментальным
данным в таблице 3, модуль сдвига G в среднем в 5,5 раза мень-
ше модуля G. С учетом этого обстоятельства, считая 1 и
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013
95
производя стандартное разложение логарифма в ряд, приходим к
следующей оценочной формуле:
mm PxP
GР
РхР
4
3)(
. (9)
Как было уже упомянуто, при отработке пласта k3 – Колпа-
ковский формируется зона опорного давления, которое на рас-
стоянии нескольких метров от забоя может в 58 раз превысить
горное давление нетронутого массива, в частности
Pm = 16,5 МПа, а Pm(x) ≈162,3 МПа (см. табл. 3), т.е. коэффици-
ент концентрации напряжений составляет 9,2, что не противоре-
чит результатам, представленным в работах [9, 12].
Результаты расчетов по формуле (9) свидетельствуют, что в
области максимальных значений эпюры горного давления (об-
ласть 4-8 в табл. 3) газовое давление повышается на 15 % по от-
ношению к давлению в угольном массиве на глубине пласта. Та-
ким образом, на участке в области максимальных значений опор-
ного давления газовое давление метана повышается в среднем на
15 % по отношению к давлению на удаленных участках пласта.
В действительности повышение давления газа будет еще
больше, поскольку к упругим деформациям может добавиться
пластическая деформация и эффективные модули уменьшатся.
При этом даже незначительное увеличение давления газа при
нахождении пласта в предельном состоянии в зоне опорного дав-
ления может привести к превращению пор в трещины, а в случае
высокоскоростной разгрузки – к потере устойчивости в виде ГДЯ
[13].
2. Макроструктура угля и внешнее давление существенно
неоднородны.
Пусть координата x отмечает участок, в котором упругие
модули G и K значительно меньше соответствующих модулей в
ненарушенном участке, т.е. G << G∞ и K << K∞. Чаще всего речь
идет о переходной части эпюры на ее границе с областью отжи-
ма, в которой Kф ≥ 10-9 м2/с [14], либо о зоне геологического
нарушения пласта.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013
96
Таблица 3
Физико-механические свойства угля пласта k3 – Колпаковский в
зоне опорного давления
№
п/п
Исходные данные Расчетные
данные
1,
МПа
2,
МПа
3,
МПа
1
10-3
2
10-3
3
10-3
К
103,
МПа
G
103,
МПа
1 24,2 7,1 10,2 11,44 0,37 1,68 3,27 0,72 0,4
2 66,1 17,7 22,7 21,66 0,37 5,4 3,99 1,16 0,44
3 101,1 38,8 35,4 29,29 0,56 6,15 4,87 1,21 0,45
4 136,3 55,1 48,3 31,26 2,04 6,89 5,19 1,08 0,45
5 171,4 71,4 51,3 42,63 2,78 6,89 5,81 1,08 0,45
6 167,9 71,4 48,6 42,81 2,78 6,89 5,48 1,03 0,45
7 162,6 70,9 36,0 44,19 2,78 6,8 5,01 1,03 0,44
8 153,4 69,2 23,3 45,41 2,78 3,54 4,75 1,05 0,44
9 107,4 61,5 10,7 48,53 3,37 -21,2 5,5 0,68 0,47
10 70,1 51,1 8,1 55 4,61 -28,1 5,3 0,66 0,47
11 50,8 40,1 4,4 59 5,81 -36,1 5,0 0,63 0,47
12 30,9 31,1 2,1 62 7,02 -41,2 3,4 0,32 0,42
13 22 24,9 0 75 9,6 -61,4 3,0 0 0,48
При неизменной пористости вдоль пласта и низком сдвиго-
вом модуле, значительно меньшим модуля сжатия, из (9) нетруд-
но получить следующую реалистичную оценку:
mm PP
G
P
PP
4
3
. (10)
Поскольку всегда горное давление Pm больше пластового
давления метана, то из (10) следует, что в ослабленном участке
пласта (G << G∞) давление метана превышает его давление в не-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013
97
нарушенном участке. Величина эффекта определяется отношени-
ем P∞/G и величиной горного давления. Применительно к усло-
виям пласта k3 при P∞ = 2,5 MПa, среднем модуле сдвига
G=200 MПa, т.е. в 5,7 раз меньше своего значения в нетронутом
массиве (см. табл. 3, пункт 12), а горное давление
Pm = 162,3 MПa, то P-P∞ = 0,85 MПa.
Если ослабление пласта происходит за счет увеличения по-
ристости ( ), то с помощью рассуждений, аналогичных ра-
нее приведенным, получаем оценку:
114
3 PP
G
P
PP m . (11)
Из (10) и (11) следует, что газ скапливается в участках с
низким сопротивлением сдвигу и в участках с повышенной пори-
стостью, что согласуется с шахтными исследованиями и наблю-
дениями [15].
В указанных местах скопления метана его давление может
превышать среднее давление по пласту на 15÷55 %, что создает
предпосылки для формирования зон повышенной газодинамиче-
ской активности и высокой газоотдачи на этих участках. Это поз-
воляет дать предварительные прогнозы локализации и степени
критичности возможных газодинамических явлений, а также ин-
тенсивных газовыделений в шахтах.
Заключение
Идея работы состоит в учете влияния газа на упругую энер-
гию угольного каркаса. Базируясь на этой идее, показано, что в
условиях, когда газ не имеет возможности десорбироваться из
угольного пласта в окружающую среду, метан распределяется
так, чтобы минимизировать термодинамический потенциал си-
стемы газ - угольный каркас. В состоянии термодинамического
равновесия происходит частичная компенсация внешнего давле-
ния противодавлением газа. Он скапливается либо в местах
ослабления материала, либо там, где внешнее давление на пласт
значительно превышает горное давление. В указанных местах
скопления метана его давление может превышать среднее давле-
ние по пласту на 15-55%, что создает предпосылки для возникно-
вения аккумулирования значительных объемов метана на этих
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013
98
участках. Наша работа позволяет дать предварительные прогнозы
локализации и степени критичности возможных газовыделений в
шахтах.
СПИСОК ССЫЛОК
1. Кузнецов С. В. Газодинамика угольного пласта, численный
алгоритм, частные и приближенные решения / Кузнецов С. В.,
Трофимов В. А. // Горный информационно-аналитический
бюллетень. –– 2008. –– Вып. 4. –– С. 304––325.
2. Кузнецов С. В. Численный расчет волны фильтрации в сор-
бирующей проницаемой среде / Кузнецов С. В., Трофи-
мов В. А. // Горный информационно-аналитический бюлле-
тень. –– 2007. –– Вып. 13. –– С. 206––216.
3. Кузнецов С. В. Движение газа в призабойной зоне угольного
пласта при внезапных отжимах / Кузнецов С. В., Трофи-
мов В. А. // ФТПРПИ. –– 1990. –– № 6. –– С. 75––81.
4. Черняк И. П. Управление состоянием горных пород / Чер-
няк И. П., Ярушин С. А. –– М. : Недра, 1995. –– 335 с.
5. Правила ведения горных работ на пластах склонных к газо-
динамическим явлениям: СОУ 10.1.00174088.011-2005. ––
[Чинний від 30.12.2005]. –– К. : Минуглепром, 2005. –– 225 с.
–– (Стандарт Мінвуглепрому України).
6. Стариков Г. П. Обоснование способа и портативного устройс-
тва для прогноза газоносности угольных пластов / Стари-
ков Г. П., Житленок Д. М., Шажко Я. В. // Геотехнічна меха-
ніка : Міжвід. зб. наук. праць. –– 2012. –– Вип. 107. ––
С. 142––146.
7. Алексеев А. Д. Изменение трещиновато-пористой структуры
и газопроницаемости угля в условиях неравномерного объем-
ного сжатия / Алексеев А. Д., Недодаев Н. В., Стариков Г. П.
// Научные сборники ИГД им. Скочинского. –– 1990. ––
С. 19––23.
8. Ландау Л. Д. Теоретическая физика. Т.VII: Теория упругости /
Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. –– М. : Физматлит, 2003. ––
264 с.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 13 (частина I), 2013
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 13 (part I), 2013
99
9. Якоби О. Практика управления горным давлением. Пер. с ин.
/ О. Якоби –– М. : Недра, 1987. –– 566 с.
10. Алексеев А. Д. Предельное состояние горных пород / Алексе-
ев А. Д., Недодаев Н. В. –– К. : Наукова Думка, 1982. ––
С. 200.
11. Стариков Г. П. Особенности деформирования и разрушения
углей при объемном сжатии / Стариков Г. П. // Геотехнологии
на рубеже 21 века –– Донецк : ДНТУ. –– 2001. –– Т. 4. ––
С. 81––87.
12. Петухов И. М. Механика горных ударов и выбросов / Пету-
хов И. М., Линьков А. М. –– М. : Недра, 1973. –– 280 с.
13. Алексеев А. Д. Прогнозирование неустойчивости системы
уголь – газ / Алексеев А. Д., Стариков Г. П., Чистокле-
тов В. Н. // Донецк : Изд-во Ноулидж, 2010. –– 343 с.
14. Стариков Г. П. Влияние скорости разгрузки угольного масси-
ва на изменение трещиновато-пористой структуры угля. /
Стариков Г. П., Гребенкина А. С. // Вісті Донецького гірничо-
го інституту –– 2004. –– № 1. –– С. 18––21.
15. Кольчик Е. И. Влияние тектонической нарушенности на
условия проведения и поддержания пластовых выработок /
Кольчик Е. И., Кольчик И. Е., Пилюгин В. И. –– Донецк :
ДУНВГО, 2006. –– 184 с.
16. Алексеев А. Д. Термодинамика газоугольного массива и не-
однородное распределение газов в угольных пластах / Алек-
сеев А. Д., Фельдман Э. П., Калугина Н. А. // ЖТФ. –– 2010.
–– № 12. –– С. 57––61.
|