CC BY
19
г
À
III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ III. TECHNOLOGICAL QUESTIONS OF MINING WORK SAFETY
■ В. И. Клишин // V. I. Klishin klishinvi@icc.kemsc.ru
д-р техн. наук, ведущим научный сотрудник лаборатории геофизических исследований горного массива Института угля ФГБНУ ФИЦ УУХ СО РАН, Россия, 650065, г. Кемерово, Ленинградский проспект, 10
д-р техн. наук, профессор, чл.-корр. РАН, директор ФГБУН «ФИЦ УУХ СО РАН», Россия, 650065, г. Кемерово, Ленинградский проспект, 10
doctor of Technical Sciences, Leading Researcher of the Laboratory of Geophysical Research of the Rock Massif of tof Federal Research Center for Coal and Coal Chemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, , 10, Leningrad Avenue, Kemerovo, 650065, Russia
doctor of technical sciences, professor, corresponding member of RAS, director of the Institute of Federal Research Center for Coal and Coal Chemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 10, Leningrad Avenue, Kemerovo, 650065, Russia
УДК 622.831.322
УСТАНОВЛЕНИЕ СВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ С ФИЛЬТРАЦИОННО-КОЛЛЕКТОРСКИМИ СВОЙСТВАМИ МАССИВА И ХАРАКТЕРИСТИКАМИ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ ПРИ ГИДРООБРАБОТКЕ КРОВЛИ И УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
CONNECTION OF ACOUSTIC EMISSION PARAMETERS WITH FILTRATION-COLLECTIVE PROPERTIES OF THE MASSIF AND THE PUMP UNIT PERFORMANCE FOR HYDRAULIC PROCESSING OF ROOF AND COAL-LAYER
Представлены результаты исследований по установлению функциональных связей между параметрами акустической эмиссии (АЭ) и фильтрационно-коллекторскими и прочностными свойствами горного массива, а также параметрами насосной установки при нескольких способах гидрообработки горного массива в угольных шахтах с целью снижения опасности динамических явлений.
Показано, что для эффективного низконапорного увлажнения угля активность АЭ не должна превышать фоновое значение, измеренное до начала нагнетания жидкости в горный массив. При гидрорыхлении пласта активность АЭ приобретает дополнительную к фоновой составляющую, которая определяется пористостью и водопроницаемостью пласта, вязкостью жидкости, перепадом давления жидкости от стенок трещин до фронта фильтрации, геометрическими размерами и углами ориентации развивающихся трещин, соотношением вертикальной и горизонтальной составляющих горного давления, механическими свойствами пласта и временем нагнетания. Причем зависимость активности АЭ от времени при постоянном темпе нагнетания такова, что при подъеме давления жидкости в скважине на начальном этапе она быстро возрастает от фонового значения до максимального, а затем снижается по мере увеличения размеров трещин и фильтрационного потока жидкости в их стенки. С увеличением темпа нагнетания уменьшается время до прорыва жидкости по растущим трещинам на забой и объем закачанной жидкости, а значения активности АЭ возрастают.
При направленном гидроразрыве кровли пласта длина растущей трещины связана с суммарным числом импульсов АЭ экспоненциальной зависимостью, что позволяет по измеренному числу импульсов АЭ оценить длину и площадь растущей трещины.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №17-17-01143).
The results of studies on the establishment of functional relationships between the acoustic emission (AE) parameters and the filtration-collection and strength properties of the rock mass were presented, as well as the parameters of the pumping unit for several methods of hydroprocessing a mountain massif in coal mines in order to reduce the danger of dynamic phenomena.
It was shown that for effective low-pressure humidification of coal, the activity of the AE should not exceed the background value measured before the injection of liquid into the mountain mass.
When the formation is hydrodisturbed, the activity of the AE acquires an additional to the background component, which is determined by the porosity and permeability of the formation, the viscosity of the liquid, the pressure drop of the fluid from the crack walls to the filtration front, the geometric dimensions and orientation angles of the developing cracks, the ratio of the vertical and horizontal components of the rock pressure, and the time of injection. Moreover, the dependence of the AE activity on time at a constant injection rate is such that when the fluid pressure in the well rises at the initial stage, it rapidly increases from the background value to the maximum value, and then decreases as the size of cracks and the filtration flow of liquid into their walls increase. With an increase in the injection rate, the time to breakthrough the fluid along the growing cracks on the face and the volume of the injected liquid decreases, and the AE activity values increase. With the directed fracture of the roof of the formation, the length of the growing crack is related to the total number of pulses of the AE by an exponential dependence, which makes it possible to estimate the length and area of the growing crack from the measured number of AE pulses.
The study was carried out through a grant from the Russian Science Foundation (project No. 17-17-01143). Ключевые слова: ОПАСНОСТЬ ДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ, ГИДРООБРАБОТКА ТРУДНООБРУШАЕМОЙ КРОВЛИ И УГОЛЬНОГО ПЛАСТА, АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ, ФИЛЬТРАЦИОННО-КОЛЛЕКТОРСКИЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА МАССИВА, ПАРАМЕТРЫ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ
Key words: DANGER OF DYNAMIC PHENOMENA, HYDRAULIC PROCESSING OF A DIFFICULTY ROOF AND COAL PLAST, ACOUSTIC EMISSION, FILTRATION AND COLLECTIVE AND STRENGTH PROPERTIES OF MASSIF, PARAMETERS OF THE PUMP INSTALLATION
ями, пылевыделением, борьбы с эндогенными пожарами. Гидрообработка угольных пластов применяется также для исключения площадного зависания труднообрушаемых пород и резких динамических воздействий их при обрушении на механизированные крепи в угольных шахтах путем применения метода направленного гидроразрыва основной кровли [1]. Гидрообработка находит применение также для повышения газопроницаемости угольного пласта. С этой целью жидкость подается в скважины, пробуренные по углю, в режиме гидрорасчленения, при котором в угле создается сеть трещин, повышающая газопроницаемость и газоотдачу пласта 2]. Разновидностью этого метода является поинтерваль-ный гидроразрыв пласта [3]. Для локального повышения газопроницаемости и разгрузки при-забойного пространства применяется также нагнетание жидкости в шпуры в режиме гидроотжима [4].
ведение
Известны методики применения гидрообработки угольных пластов для борьбы с газодинамическими явлени-
няется тем, что при такой влажности газ блокируется в микротрещинах и порах и не переходит в свободное состояние, не повышая внутрипла-стовое давление; уголь становится более пластичным, вследствие чего зона опорного давления отодвигается в глубь массива, снижая и выбросо-, и удароопасность.
Для увлажнения угля жидкость в пласт подается в режимах либо низконапорного увлажнения, либо гидрорыхления. В режиме низконапорного увлажнения, рекомендуемом для пластов с высокой водопроницаемостью, дополнительные трещины нагнетаемой жидкостью не создаются, а жидкость распространяется по существующим природным трещинам, из них -в микротрещины и поры, равномерно увлажняя уголь. В режиме гидрорыхления, рекомендуемом для углей с меньшей водопроницаемостью, чем в предыдущем случае, нагнетаемая жидкость создает дополнительную сеть трещин, из которых увлажняется уголь.
с целью его увлажнения, поскольку установлено, что при влажности угля свыше 6% внезапные выбросы никогда не происходили [5]. Это объяс-
Гидрообработка угля применяется также
Все вышеуказанные способы гидрообработки кровли пласта и угольного массива характеризуются определенной интенсивностью развития трещин. Поскольку трещины развиваются скачкообразно, то под интенсивностью развития трещин понимается число «скачков» растущих трещин в единицу времени. Однако
механизма контроля роста трещин при гидрообработке горного массива в шахтных условиях нет, так как технологией всех известных способов гидрообработки предусматривается только регистрация давления и скорости нагнетания жидкости. Между тем растущая трещина является источником акустической эмиссии, регистрация которой позволяет фиксировать, во-первых, факт скачкообразного роста трещин, во-вторых, - интенсивность скачкообразного роста трещин во времени, а при более сложной модификации метода можно осуществлять определение координат растущего участка трещины и оценивать энергию акустического излучения [6, 7].
Это позволяет ставить задачу о контроле методом акустической эмиссии процесса гидрообработки горного массива для достижения цели, определяемой запланированным режимом нагнетания жидкости в угольный пласт или в труднообрушаемую кровлю.
Рассматриваемые способы гидрообработки горного массива характеризуются большим числом разнородных параметров. Прежде всего, это параметры, характеризующие эффективность способа. Следующая группа параметров определяет технологию осуществления способа. Третья группа характеризует насосную установку. Соответственно, назовем эти группы параметров контрольными, технологическими и гидравлическими.
При направленном гидроразрыве трудно-обрушаемой кровли контрольными параметрами являются необходимая длина и направление создаваемой трещины, при которых обеспечивается обрушение и снижение площади кровли, зависающей над выработанным пространством.
А при гидрообработке угольного пласта с целью снижения опасности проявления динамических явлений этими параметрами будут необходимые для устранения опасности влажность угля при низконапорном увлажнении, низконапорной пропитке и гидрорыхлении пласта и величина выдвигания угольного забоя при гидроотжиме пласта. В настоящее время контрольные параметры целесообразно определять согласно «Инструкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа» 4], поскольку в последней редакции «Инструкции...» [8] этих сведений нет.
Технологическими параметрами являются количество одновременно подключаемых к нагнетательной установке скважин (шпуров), их длина и диаметр, расположение, длина или глубина герметизации, расположение искусствен-
но инициирующих щелей относительно горных выработок и слоев кровли, а также время гидрообработки. Технологические параметры при гидрообработке угольных пластов также выбираются в соответствии с указанной «Инструкцией...» [8] и согласуются с принятым циклом проходки или выемки угля. При обосновании технологических параметров направленного гидроразрыва труднообрушаемой кровли руководствуются нормативным документом [9] и могут дополнительно использовать рекомендации по применению этого способа гидрообработки применительно к конкретному шахтопласту (см., например [1С ).
Гидравлическими параметрами являются давление и скорость (темп) нагнетания.
Под оптимальными гидравлическими параметрами способа гидрообработки будем понимать такие величины давления и темпа нагнетания, при которых контрольный параметр достигается за минимально возможное время.
Как угольный пласт, так и породная кровля, подверженные гидрообработке, являются твердыми телами, нагруженными горным давлением и работающими упруго. Отличие их состоит в прочностных характеристиках и фильтрационно-коллекторских свойствах. Однако в обоих случаях жидкость расходуется на заполнение полости растущей трещины и фильтрацию в ее стенки. Поэтому подход к использованию акустической эмиссии (АЭ) для контроля процесса как гидрообработки угольного пласта, так и гидроразрыва кровли может быть общим.
Большинство применяемых в настоящее время насосных установок без гидроаккумуляторов имеют жесткую рабочую характеристику, т.е. для них темп нагнетания сохраняется практически постоянным вне зависимости от фильтраци-онно-коллекторских свойств массива. К таковым относятся насосные установки типа НВУ-30М, УНВ-2, УН-35, 2УГН, с помощью которых осуществляется гидрообработка угольного пласта, и насосы типа Т, спроектированные для питания механизированной крепи водомасляной эмульсией, которые используются для направленного гидроразрыва труднообрушаемой кровли. В частности, для этой цели находит широкое применении насос типа Т-200/32 Ех^ [11-13].
Поэтому рассмотрим возможность использования метода АЭ для определения оптимальных гидравлических параметров гидрорыхления угольного пласта и гидроразрыва кровли применительно к этим насосным установкам. В дальнейшем оба эти процесса будем называть единым термином - гидрообработка, за исклю-
чением случаев, обусловленных спецификой этих способов.
Постановка задачи
Осветим общий подход к рассматриваемой задаче.
Среду, в которой осуществляется гидрообработка, будем рассматривать как упругую, т.к. АЭ в процессе трещинообразования обычно представляет собой волны разгрузки, а разгрузка происходит в основном упруго, даже в пластически работающем материале [14].
Поскольку приемные преобразователи АЭ по принципу действия являются или виброметрами, или велосиметрами, или акселерометрами, полное описание процесса развития трещины заключается в нахождении пространственно-временного распределения перемещений, скоростей или ускорений точек окрестности среды, примыкающей к преобразователю, иначе говоря, сводится к нахождению поля перемещений.
Решение этой задачи в реальных условиях осложняется по ряду причин. Во-первых, трещина как источник АЭ является сложным объектом и поэтому требует значительной идеализации своих свойств при построении математической модели. Во-вторых, сложное строение угольного пласта приводит к переотражениям сигналов АЭ от различного рода неоднородно-стей и границ раздела слоистой среды, каковой является угольный пласт с вмещающими породами. В-третьих, имеют место трансформация типов акустических волн, затухание и дисперсия волнового движения и т.д. [15]. Наконец, для реальных трещин - источников АЭ достаточно сложно формулируются граничные и начальные условия на их поверхностях.
Эти обстоятельства обусловливают невозможность получения общего решения сформулированной задачи современными аналитическими методами из-за непреодолимых математических трудностей. Исключение составляют некоторые простые частные случаи при условии введения дополнительных упрощающих гипотез. Поэтому ограничимся лишь регистрацией факта скачкообразного развития трещины, считая, если таковой имел место в зоне чувствительности приемного преобразователя, то он будет преобразователем воспринят.
Скачкообразный характер роста трещины обоснован, в частности, в работе [16], в которой рассматривается процесс раскрытия отдельной произвольно ориентированной трещины, находящейся в поле двухосного сжатия, под действи-
ем нагнетаемой в нее жидкости. В ней показано, что при достижении давления в трещине критической величины Рг трещина выходит из состояния равновесия и начинает расти. Так как скорость роста трещины значительно превышает скорость заполнения ее жидкостью, давление в трещине снижается и при достижении некоторой величины рост трещины прекращается [16]. Поскольку в соответствии с нелинейным законом фильтрации между давлением и темпом нагнетания жидкости в скважину существует функциональная связь 17], критическому значению давления нагнетания Рсг соответствует критическое значение темпа нагнетания д .
1сг
Для контроля этого процесса одному «скачку» трещины будем противопоставлять один импульс АЭ, а интенсивность развития трещин будем характеризовать активностью АЭ -числом импульсов АЭ в единицу времени.
В работе [18] сделано предположение о том, что при нагнетании жидкости в скважину, пробуренную по углю, в общем случае могут развиваться не одна, а несколько однотипных (с примерно одинаковой ориентацией и начальной длиной) трещин. Для этого случая приведено решение задачи о количестве «скачков» (или импульсов АЭ) I при развитии трещины от начальной длины 10 до I, и о зависимости средней длины растущей трещины I от фильтрационно-коллекторских свойств горного массива:
I = пк 1п— ,
(1)
где п - число одновременно развивающихся трещин; к - коэффициент, описывающий связь
между 1д и /;
(:/(2фпКЛГ'//Г -///>)
(2)
2т^ттКАР
где д - скорость нагнетания; И - средняя ширина поверхности трещин; т, К - соответственно пористость и проницаемость горного массива; АР=Р-Р2, Р1 - давление жидкости на стенке трещины; Р2 - пластовое давление жидкости, примерно равное давлению свободного газа в трещине, если он имеется; Ь - среднее раскрытие трещин; ^ - динамическая вязкость нагнетаемой жидкости.
Формула (2) с относительной погрешностью, не превышающей 10% и стремящейся к нулю с ростом г, применима, если выполняется условие [18]:
При следующих реальных параметрах гидрорыхления угольного пласта: 1 сП; b=0.1 см; m=3-8%; К=0.1 мД; ЛР=5-10 МПа предельное минимальное время начала контроля tn составляет 25-130с (при наиболее часто регистрируемых параметрах эта величина составляет 30-40с). Формула (2) может использоваться при анализе этого процесса за исключением кратковременного начального периода,так как гидрорыхление угольного пласта осуществляется от нескольких десятков минут до нескольких часов и более.
Пористость песчаника соизмерима с пористостью угля [19], а проницаемость варьируется в очень широких пределах [20], но можно принять, что примерно на порядок ниже, чем у угля. При этом давление нагнетания, развиваемое насосом типа Т-200/32 Ex-Z, в несколько раз выше, чем давление жидкости при гидрорыхлении угольного пласта соответствующими насосными установками. Следовательно, время tp при направленном гидроразрыве кровли из песчаника может быть лишь ненамного больше, чем время при гидрорыхлении угольного пласта. Таким образом, формула (2) (равно как и (1)) также применима при анализе гидроразрыва кровли, за исключением 1-2 мин в начале процесса. В этом случае при n = 1 общее время осуществления гидроразрыва кровли составляет 5-10 мин, а фиксация фактов скачкообразного роста трещин будет осуществляться независимо от выполнения неравенства (3).
При этих условиях рассмотрим возможность использования метода АЭ для определения оптимальных гидравлических параметров гидрообработки горного массива из горных выработок. Решение такой задачи для нагнетательных установок с регулируемой скоростью нагнетания (например, при регулируемом вентилем отбора воды из высоконапорного водовода на гидрошахтах при гидрорыхлении угольного пласта), обеспечивающей постоянное значение активности АЭ на оптимальном уровне, приведено в работе [21]. В данной работе приведем решение задачи применительно к насосным установкам с жесткой рабочей характеристикой (q ~ const), т.е. покажем, как должна вести себя активность АЭ во времени, чтобы обеспечить контрольные параметры способа гидрообработки.
Решение задачи
Будем считать, что при гидрообработке угольного пласта в режиме гидрорыхления и гидроразрыва кровли жидкость в скважину будет поступать до тех пор, пока вершина растущей трещины не достигнет поверхности ближайшей
выработки или скважины, пробуренной из нее. При гидрорыхлении угольного пласта этим минимальным расстоянием приближенно является глубина герметизации скважины. При гидроразрыве кровли пласта это расстояние зависит от технологии его осуществления. За минимальную величину примем расстояние до ближайшей обнаженной поверхности выработки. В обоих случаях эту величину обозначим I.
Подставив (2) в (1), определим общее количество I импульсов АЭ при развитии п трещин от начальной длины 1П до I.
I = nk In
q{2^mKAPjUt - jub) 2жИп(: jnK\P
■ (4)
При организации контроля акустической эмиссии в процессе гидрообработки приза-бойного пространства следует учитывать следующее. Наличие в радиусе чувствительности геофона зон повышенного горного давления, в которых действующие напряжения эпизодически превышают предельные напряжения, приводит к динамической перестройке структуры горного массива, сопровождающейся развитием трещин даже в периоды, когда работы по ведению выработки приостановлены. Активность этого тре-щинообразования, как показал эксперимент, в течение некоторого времени, необходимого для гидрообработки горного массива, остается практически постоянной. Различить эти импульсы АЭ от импульсов, вызванных трещинами гидроразрыва, невозможно. Поэтому такую активность АЭ можно измерить до начала гидрообработки, назвать ее фоновой и в последующем вычитать из суммарной активности АЭ, регистрируемой в процессе гидрообработки.
Из (4) определим критический темп нагнетания дсг, при достижении которого начинается процесс принудительного развития трещин. Поскольку nk Ф 0, условие I = 0, справедливое для Р < Р , дает следующее значение:
Чсг =
2 Trfml 0тКАР l^jmKAP/Ld - ф
(5)
При направленном гидроразрыве кровли, как правило, п = 1, выражение (5) определяет минимальный темп нагнетания, при котором эта технология может осуществляться.
Определим оптимальные гидравлические параметры нагнетания, при которых в скважину, имеющую фильтрующую часть длиной I и загерметизированную на глубину I , при постоянном темпе нагнетания до прорыва по трещинам
в выработку удается закачать объем жидкости 2.
При этих условиях темп нагнетания а и время нагнетания г связаны следующим соотношением:
(6)
Прорыв жидкости в выработку может произойти не раньше, чем среднее значение полудлины развивающихся трещин становится примерно равным величине Подставив это условие и соотношение (6) в выражение (2), получим следующее квадратное уравнение относительно г:
+
0_/лЬ
2 тгИп £ гтк АР
= О
(7)
Корни этого уравнения следующие:
(
{2тйт1 Т у ткЬР
1 +.1 —
2л!т1 гЪ
V
■(8)
Выражение (2) справедливо для любого t > Следовательно, и корни уравнения (7) должны удовлетворять этому условию.
Представим уравнение (2) с учетом соотношения (6) в виде:
(9)
где
Графическое изображение зависимости вида (9) дано на рис. 1.
Функция I = Щ вида (9) имеет максимум в точке
/
=
Ж
у
(10)
V "1 У
Подставив в (10) выражения для и ё2 и сравнив с выражением (3), получим гп = 2т Следовательно, корень г, находящийся левее точки гт, не удовлетворяет условию t > tп ни при каком
О.
Объем нагнетания < до прорыва жидкости в выработку при гидрорыхлении пласта определяется темпом нагнетания. При очень высоких значениях а происходит быстрый рост трещин до плоскости забоя. При этом жидкость не успевает заполнить мелкие трещины и поры угля или
породы. По мере уменьшения а средняя скорость роста трещин уменьшается, растет время нагнетания до прорыва жидкости в выработку и, следовательно, возрастает объем жидкости, фильтрующейся в стенки трещин. Этим объясняется увеличение 2 по мере снижения темпа нагнетания.
Таким образом, чтобы корень г2 удовлетворял условию г2 > п необходимо обеспечить достаточно большой объем нагнетания. Минимальный объем нагнетания О , при котором
тт' 1 1
еще выполняется это условие, соответствует времени нагнетания г2 = п Найдем это значение из уравнения (2) при условиях I = I; q = Q/t; п = т
АтткЫ Г
О =-¡=—- ■ 01)
Соответствующее значение темпа нагнетания определится из выражения:
^Зтт
С/тах=
(12)
Подставим в (12) выражения (11) и (3), по-
лучим:
9тах
2тМгт¥АР
(2л/2-1)/^ (13)
Таким образом, при темпе нагнетания дсг < q < qmax все значения корня п2 уравнения (7) удовлетворяют условию п >
Для организации контроля режима гидрообработки по акустической эмиссии можно разбить все время нагнетания жидкости г на у равных интервалов контроля длительностью Т, таких, что т. < Т < п, где т. - длительность /'-го импульса АЭ, ^ - суммарное время нагнетания в скважину до окончания способа гидрообработки, и характеризовать режим нагнетания параметром А1, называемым активностью АЭ, равным числу импульсов АЭ в интервал контроля Т\
Ы=*Т
а ■
Из (4) имеем
(14)
а
пкфпКАР/л
(15)
а «ЛафпКАР^ -¡иЬ)
Преобразуем (15) с учетом (2), получим:
¿3 _ дкл]~/й
3 Илк^шКШ . (16)
Тогда искомая величина определится из выражения:
цкТ фр.
А/ =
ИжИл! т КАР I
(17)
Рисунок 1 - Зависимость длины трещины l от времени нагнетания t при различных значениях объема нагнетания Q:
1, 2, 3 - соответственно при Q1, Q2, Q,; Q3 > Q2 > Q1 = Q min; toptw t<p>t3) - оптимальное время нагнетания, при котором в скважину к моменту прорыва жидкости в выработку
поступает объем жидкости соответственно Q2 и Q3 Figure 1 - Dependence of the crack length l on the infusion time t for different values of the infusion volume Q: 1,2,3, - correspondingly at Q1, Q2, Q3; Q3 > Q2 > Q1 = Q min;
t
t
- is the optimal infusion time at which, by the time the fluid breaks through into the mine opening,
the fluid volume is Q2 and Q3
Из уравнения (6) определим оптимальное значение темпа нагнетания дор1 , которое достигается при г = (см. уравнение (8)):
тКАР(2л}т£ Г )2
iopt
Qju
1 + .
2 ?im£rb
.(18)
Q
Нагнетание при таком темпе будет сопровождаться активностью АЭ, значение которой определим из выражений (14) и (15).
Mopt = ■
kTnyd£t.
2 t-b.
ß
(19)
тКАР
где пуд = п /1ф - удельное число трещин, развивающихся из одного метра фильтрующей части скважины, м-1.
Использование полученных уравнений для определения оптимальных параметров гидрорыхления угольного пласта, оптимального времени и темпа нагнетания, соответствующего оптимального значения активности АЭ требует знания большего числа параметров, характеризующих фильтрационно-коллекторские свойства угля, геометрические размеры, число трещин и пр. Экспериментальные замеры этих параметров трудоемки, обладают низкой точностью, а иногда и невозможны. Поэтому представляется целесообразным ввести в полученные уравнения интегральные коэффициенты, учитываю-
щие целый комплекс параметров, и определить их в результате опытного нагнетания.
Кроме того, уравнения (28) и (18) можно упростить аналитическим путем. Для этого рассмотрим множитель
1 + J1--
2nhnl ТЪ
Л2
(20)
В числителе дроби подкоренного выражения записана величина, пропорциональная суммарному объему полостей растущих трещин и соизмеримая с минимальным объемом жидкости Qmnn , который удается закачать за время при максимальном темпе нагнетания (см. формулу (11)). Поскольку гидрорыхление угольного пласта осуществляется при q < q и t » t,
1 1 1 1тах п'
то большая часть нагнетаемой воды поступит в стенки растущих трещин (мелкие трещины и поры), а меньшая часть займет полости растущих трещин. Поэтому можно предположить, что 2я1гп£гЬ/0^<1 . При этом справедливо следующее приближение [22]:
^\-2т^гп£к,\-тйгп1 ГЫ. (21) Тогда выражение (20) примет вид:
Осуществив замену сомножителя в соответствии с (22), формулы (8) и (18) можно представить в следующем виде, удобном для практического использования:
<от, = "(0-П1; (23)
С!
2 ор(
я(<2-Г)2
(24)
где а = а •а ;
ц
- коэффициент, определяемый фильтрационно-коллекторскими свойствами массива и параметрами нагнетания, см-2;
- технологический параметр, м-4;
л
V = —кп ( Р Ъ
2 уд г ф - коэффициент, пропорциональный суммарному объему растущих трещин,
Рекомендации по использованию результатов решения задачи
Активность АЭ, сопровождающая гидрорыхление угольного пласта с оптимальным темпом, определяется выражением (2.19). Однако для практического использования оно непригодно, поскольку не связывает в явном виде активность АЭ и гидравлические параметры нагнетания. В связи с этим рассмотрим возможность выражения оптимальной активности АЭ через гидравлические параметры. При этом, по-видимому, следует учесть, что на различных этапах нагнетания жидкости в скважину вследствие изменения давления нагнетания количество участвующих в развитии трещин может изменяться. Кроме того, изменяются свойства увлажняемого массива. Поэтому в выражение (2.19) следовало бы ввести зависимости перепада давления АР и числа трещин п от времени, однако аналитические выражения их неизвестны. В связи с этим для практического применения формулу (2.19) можно представить в следующем упрощенном виде: _ т (д)
(25)
А1 . =■
°Р ¡-¿МУЯ'
где МЯ) =
пкТ
5г (?) = Т
2 \mKAP
(26)
Зависимость (25) справедлива при достаточно больших значениях г. При г, близком к (д.)2, где она имеет особенность, для А1ор1 она дает заведомо завышенные значения. Это является следствием упрощения, сделанного при выводе формулы (2).
Таким образом, для определения оптимальных гидравлических параметров гидрорыхления пласта при мониторинге процесса гидрообработки методом АЭ необходимо, прежде всего, по результатам опытного нагнетания определить коэффициенты в уравнениях (24) и (25). Зная их для требуемого объема закачки жидкости в скважину, с помощью уравнения (24) следует определить оптимальный темп нагнетания. После этого с помощью уравнения (25) для оптимального темпа нагнетания определяется оптимальная временная зависимость активности АЭ.
В последующем мониторинг гидрорыхления на данном участке пласта сводится к экспериментальному установлению такого давления и темпа нагнетания, при которых временная зависимость активности АЭ совпадает с оптимальной.
Нам представляется, что изложенная методика применима для организации мониторинга процесса гидрорасчленения угольного пласта, осуществляемого с земной поверхности через скважину с целью его заблаговременной дегазации [2]. В этом случае величина 1Г определяется размерами подвергаемого гидрорасчленению участка угольного пласта по простиранию, а коэффициенты аг а2 и V могут быть ориентировочно определены по результатам опытного гидрорыхления этого же пласта из выработки, примыкающей к участку, на котором планируется осуществить гидрорасчленение.
Для контроля гидроразрыва кровли аку-сто-эмиссионным методом на начальном этапе отработки лавы необходимо провести опытный гидроразрыв. При этом контроль процесса нужно осуществлять одновременно путем подсчета числа импульсов АЭ 1э и регистрации появления жидкости в соседней скважине, пробуренной на расстоянии 1э от скважины, из которой осуществляется гидроразрыв. По формуле (1) определить значение коэффициента к для данного участка горного массива кэ:
(27)
К-з — —1—
3 1п(£) 'о
В дальнейшем в предположении о примерном постоянстве коэффициента ^ и начальной длины искусственно создаваемой трещины 10 для кровли над данной лавой можно оценивать длину I произведенной в процессе очередного гидроразрыва трещины по зарегистрированному числу импульсов АЭ I по формуле:
I = 10е^кз
(28)
м3.
Предположив, что форма растущей трещины близка к круговой, можно следующим образом оценить ее площадь 5":
S -^llexp(
21
/о ■
(29)
Выводы
Приведенное решение задачи свидетельствует о том, что активность АЭ является количественной характеристикой интенсивности развития трещин в горном массиве в процессе его гидрообработки.
При низконапорном увлажнении активность АЭ не должна превышать фоновое значение, измеренное до начала нагнетания жидкости в горный массив.
При гидрорыхлении пласта активность АЭ приобретает дополнительную составляющую, которая определяется пористостью и водопроницаемостью пласта, вязкостью жидкости, перепадом давления жидкости от стенок трещин до фронта фильтрации, геометрическими размерами и углами ориентации развивающихся трещин, соотношением вертикальной и горизонтальной составляющих горного давления, механическими свойствами пласта и временем нагнетания.
Причем временная зависимость активности АЭ при постоянном темпе нагнетания такова, что при подъеме давления жидкости в скважине на начальном этапе она от фонового значения быстро возрастает до максимального, а затем снижается по мере увеличения размеров трещин и фильтрационного потока жидкости в их стенки. С увеличением темпа нагнетания уменьшается время до прорыва жидкости по растущим трещинам на забой и объем закачанной жидкости, а значения активности АЭ возрастают.
При направленном гидроразрыве кровли пласта длина растущей трещины связана с суммарным числом импульсов АЭ экспоненциальной зависимостью, что позволяет по измеренному числу импульсов АЭ оценить длину и площадь растущей трещины.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №1717-01143).
The study was carried out through a grant from the Russian Science Foundation (project No. 1717-01143).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Клишин В.И., Зворыгин Л.В., Лебедев А.В., Савченко А.В. Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений. Рос. акад. наук. Сиб. отд-ние, Ин-т горного дела. Новосибирск: Издательский дом «Новосибирский писатель», 2011. 524 с.
Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. М.: Недра, 1979. 271 с. Клишин В.И., Опрук Г Ю., Тациенко А.Л. Применение поинтервального гидроразрыва угольного пласта для интенсификации пластовой дегазации // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Издательство: Сибирский государственный индустриальный университет Новокузнецк, №3, 2016, с. 33-39.
Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа (РД 05-350-00). Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах (Сборник документов). М.: Государственное предприятие НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000. С. 120-303.
Чернов О.И., Пузырев В.Н. Прогноз внезапных выбросов угля и газа. М.: «Недра», 1979. 296 с. Логинов Г.Н., Яскевич С.В., Дучков А.А., Сердюков А.С. Совместная обработка данных поверхностных и подземных систем микросейсмического мониторинга при добыче т вердых полезных ископаемых // ФТПРПИ. 2015. № 5. С.100-107.
Клишин В.И. Методы направленного гидроразрыва труднообрушающихся кровель для управления горным давлением в угольных шахтах / В.И. Клишин [и др.] // Уголь. 2008. № 11. С.12-16.
Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Инструкция по прогнозу динамических явлений и мониторингу массива горных пород при отработке угольных месторождений». Утверждены приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 15.08.2016 г. №339. 129 с.
Инструкция по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на выемочных участках / колл. авт. Л.: ВНИМИ. 1991. 102 с.
Клишин В.И., Опрук ГЮ., Сентюрев А.В., Николаев А.В. Опыт применения направленного гидроразрыва основной кровли при выходе механизированного комплекса из монтажной камеры // Уголь. 2015. № 11. С. 12-16. Установка для нагнетания воды в угольный пласт УН35 [Электронный ресурс]. URL: http://sinref.ru/000_ uchebniki/01701gornoe_delo/004_spr_mashini_i_oborudovanie_dla_ugolnih_shaht_horin_1987/188.htm дата 3.05.2017 (дата обращения 3.05.2017). 12. Установка насосная для нагнетания воды в угольные пласты УНВ-2М [Электронный ресурс]. URL: http://www. sibinfo.org/gidravlika/products/undnvup.htm (дата обращения 3.05.2017).
Насосы типа Т [Электронный ресурс]. URL: http://promenergochim.ru/static/doc/0000/0000/0217/217186.4fo7ytay vm.pdf (дата обращения 21.04.2017).
Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. Применение для испытаний материалов и изделий. М.:
10.
11
13
Изд-во стандартов, 1976. 272 с.
15. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973. 343 с.
16. Москалев А.Н., Васильев Л.М., Млодецкий В.Р Предельное равновесие трещин в угольном пласте при нагнетании в него жидкости // ФТПРПИ. 1979. № 5. С. 91-96.
17. Чернов О.И., Розанцев Е.С. Подготовка шахтных полей с газовыбросоопасными параметрами. М.: Недра, 1975. 287 с.
18. Шадрин А.В. Сейсмоакустическая реакция угольного массива на процесс его гидрообработки // ФТПРПИ. 1982. № 6. С. 29-34.
19. Геомеханика: учебное пособие / П.В. Егоров [и др.]. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2001. 276 с.
20. Водопроницаемость различных грунтов (по Н.Н. Маслову) [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia. org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%86%D0%B0 %D0%B5%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C_%D0%B3%D1%80%D1%83%D0%BD%D1%82%D0% BE%D0%B2 (дата обращения 3.05.2017).
21. Шадрин А.В. Акусто-эмиссионный мониторинг профилактики гидрообработки угольных пластов // ФТПРПИ. 2000. № 5. С. 98-102.
22. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Наука, 1971. 1108 с.
REFERENCES
1. Klishin, V. I., Zvorygin, L. V., Lebedev, A. V., & Savchenko, A. V. (2011). Problemy bezopasnosti i novyye tekhnologii podzemnoy razrabotki ugol'nykh mestorozhdeniy Problems of safety and new technologies for underground mining of coal deposits [Problems of safety and new technologies for underground mining of coal deposits]. Novosibirsk: Novosibirskiy pisatel' - The Novosibirsk writer.[In Russian]
2. Nojkin, N. V. (1979). Zablagovremennaya degazatsiya ugol'nykh mestorozhdeniy [Advanced degassing of coal deposits]. Moscow: Nedra. [In Russian].
3. Klishin, V. I., Opruk, G. Y., & Tatsienko, A. L. (2016). Primeneniye pointerval'nogo gidrorazryva ugol'nogo plasta dlya intensifikatsii plastovoy degazatsii [The use of intermittent hydraulic fracturing of a coal seam to intensify formation degassing]. Naukoyemkiye Tekhnologii Razrabotki I Ispol'zovaniya Mineral'nykh Resursov - High Technology of Development and Use of Mineral Resources, (3), 33-39.[In Russian]
4. Instruktsiya po bezopasnomu vedeniyu gornykh rabot na plastakh, opasnykh po vnezapnym vybrosam uglya (porody) i gaza (RD 05-350-00). Preduprezhdeniye gazodinamicheskikh yavleniy v ugol'nykh shakhtakh (Sbornik dokumentov). [Instructions for the safe management of mining operations on formations that are dangerous for sudden releases of coal (rock) and gas (RD 05-350-00). Prevention of gas-dynamic phenomena in coal mines (Collection of documents)], Gosudarstvennoye predpriyatiye NTTS po bezopasnosti v promyshlennosti Gosgortekhnadzora Rossii - The State Enterprise of the SEC for Safety in Industry of the Gosgortechnadzor of Russia (2000). [In Russian]
5. Chernov, O. I., & Puzyrev, V. N. (1979). Prognoz vnezapnykh vybrosov uglya i gaza [Forecast of sudden emissions of coal and gas]. Moscow: Nedra.[In Russian].
6. Loginov, G. N., Yaskevich, S. V., Duchkov, A. A., & Serdjukov, A. S. (2015). Sovmestnaya obrabotka dannykh poverkhnostnykh i podzemnykh sistem mikroseysmicheskogo monitoringa pri dobyche t verdykh poleznykh iskopayemykh [Joint processing of data of surface and underground microseismic monitoring systems for the extraction of solid minerals]. FTPRPI, (5), 100-107.[In Russian.]
7. Klishin, V. I. (2008). Metody napravlennogo gidrorazryva trudnoobrushayushchikhsya krovel' dlya upravleniya gornym davleniyem v ugol'nykh shakhta [Methods of directional fracturing of hard-to-break roofing to control mining pressure in coal mines]. Ugol - Coal, (11), 12-16.[In Russian].
8. Federal'nyye normy i pravila v oblasti promyshlennoy bezopasnosti «Instruktsiya po prognozu dinamicheskikh yavleniy i monitoringu massiva gornykh porod pri otrabotke ugol'nykh mestorozhdeniy» [Federal norms and rules in the field of industrial safety "Instruction on the forecast of dynamic phenomena and monitoring of the rock massif in coal mining"], Order of the Federal Service for Ecological, Technological and Nuclear Supervision of August 15, 2016 No. 339 (2016). [In Russian].
9. VNIMI. (1991). Instruktsiya po vyboru sposoba i parametrov razuprochneniya krovli na vyyemochnykh uchastkakh [Instructions on the choice of the method and parameters of softening of the roof at the excavation sites]. Lenengrad: VNIMI. [In Russian].
10. Klishin, V. I., Opruk, G. Y., Sentyurev, A. V., & Nikolaev, A. V. (2015). Opyt primeneniya napravlennogo gidrorazryva osnovnoy krovli pri vykhode mekhanizirovannogo kompleksa iz montazhnoy kamery [Experience in applying directed hydraulic fracturing of the main roof at the exit of the mechanized complex from the installation chamber]. Ugol - Coal, (11), 12-16. [In Russian].
11. Ustanovka dlya nagnetaniya vody v ugol'nyy plast UN35 [Installation for water injection into coal seam UN35]. (n.d.). Retrieved May 03, 2017, from http://sinref.ru/000_uchebniki/01701gornoe_delo/004_spr_mashini_i_oborudovanie_ dla_ugolnih_shaht_horin_1987/188.htm [In Russian].
12. Ustanovka nasosnaya dlya nagnetaniya vody v ugol'nyye plasty UNV-2M [Pumping unit for water injection into coal seams UNV-2M]. (n.d.). Retrieved May 03, 2017, from http://www.sibinfo.org/gidravlika/products/undnvup.htm.
13. Nasosy tipa T - Pumps of type T. (n.d.). Retrieved April 21, 2017, from http://promenergochim.ru/static/doc/0000/0000 /0217/217186.4fo7ytayvm.pdf [In Russian].
14. Greshnikov, V. A., & Drobot, Y. B. (1976). Akusticheskaya emissiya. Primeneniye dlya ispytaniy materialov i izdeliy [Acoustic emission. Application for testing of materials and products]. Moscow: Izdatel'stvo standartov. [In Russian].
15. Brekhovskikh, L. M. (1973). Volny v sloistykh sredakh [Waves in layered media]. Moscow: Nauka. [In Russian].
16. Moskalev, A. N., Vasil'ev, L. M., & Mlodetskiy, V. P. (1979). Predel'noye ravnovesiye treshchin v ugol'nom plaste pri nagnetanii v nego zhidkosti [Limiting equilibrium of cracks in a coal seam when injecting liquid into it]. FTPRPI, (5), 91-96. [In Russian].
17. Chernov, O. I., & Rozantsev, E. S. (1975). Podgotovka shakhtnykh poley s gazovybrosoopasnymi parametrami [Preparation of mine fields with gas-vysokopasnymi parameters]. Moscow: Nedra. [In Russian].
18.
19.
Chernov, O. I., & Rozantsev, E. S. (1975). Podgotovka shakhtnykh poley s gazovybrosoopasnymi parametrami [Preparation of mine fields with gas-vysokopasnymi parameters]. Moscow: Nedra. [In Russian]. Egorov, P. V. (2001). Geomekhanika: Uchebnoye posobiye [Geomechanics: A tutorial]. Kemerovo: Kuzbassvuzizdat. [In Russian].
20. Vodopronitsayemost' razlichnykh gruntov (po N.N. Maslovu) [Water permeability of various soils (according to NN Maslov)]. (2018, March 15). Retrieved May 03, 2017, from https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4 %D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%86%D0%B0%D0%B5%D0%BC%D0%BE%D1%8 1%D1%82%D1%8C_%D0%B3%D1%80%D1%83%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2 [In Russian]. Shadrin, A. V. (2000). Akusto-emissionnyy monitoring profilaktiki gidroobrabotki ugol'nykh plastov [Acousto-emission monitoring of prevention of hydrotreatment of coal seams]. FTPRPI, (5), 98-102. [In Russian]. Gradstein, I. S., & Ryjik, I. M. (1971). Tablitsy integralov, summ, ryadov i proizvedeniy [Tables of integrals, sums, series, and products]. Moscow: Nauka. [In Russian].
21.
22.
M
♦A*
Vj
ООО «ВОСТЭКО»
осуществляет проведение научно-исследовательских работ, создание нормативной документации и друге работы в сфере промышленной безопасности на предприятиях угольной отрасли:
экспертиза промышленной безопасности; услуги испытательной лаборатории;
разработка инновационных технологий в сфере угледобычи, выпуск конструкторской документации для их единичного и серийного применения; патентные исследования; организация технического обслуживания, ремонта, поверки средств измерений и вспомогательного оборудования, издание научно-технического журнала «Вестник», очная аспирантура.
Россия, г Кемерово, 650002 Сосновый бульвар, 1, Кузбасский технопарк S^JjfS
tsot.company@gmail.com ЕШ;
тел/факс: 8 (3842) 340670
indsafe.ru
ООО «ГОРНЫЙ-ЦОТ»
серийно производит приборы _ контроля параметров безопасности рудничной атмосферы угольных шахт
выпускает приборы контроля параметров безопасности: ПКА-01 Прибор контроля запыленнс ти воздуха,
ПКП Прибор контроля пылевзрывобезопасности горных выработок,
ИЗСТ-01 Стационарный измеритель^Л запыленности,
ваБепзе Портативный газоанализатор, ваБоз Стационарный анализатор у контроля параметров атмосферы заперемычного пространства, СКП ДС Система контроля параме ров дегазационной сети разрабатывает системы измерения ■климатических параметров рудничной атмосферы (температуры; влажности; скорости и направления движения воздуха; давления); разрабатывает программное о( ¡спечение для встраиваемых систем;
разрабатывает приборы по индивидуальным заказам; производит ремонт выпускаемых приборов.
на правах рекламы
___________________
87
