CC BY
51
© Б.Ю. Зуев, В.М. Шик, 2009
УДК 622.831.325 Б.Ю. Зуев, В.М. Шик
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЙ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Представлены экспериментальные данные о деформировании массива горных пород при промысловом извлечении метана из ненарушенных угольных пластов. Данные получены на физических моделях из эквивалентных материалов при воспроизведении расширения площади дегазации в процессе длительной эксплуатации дегазационных скважин. Ключевые слова: дегазация угольных пластов, пластовый метан, горное производство.
Т/Г звлечение флюидов из продуктивных пластов при разра-
-Ж-Я. ботке газовых и нефтяных месторождений приводит к изменению напряженно-деформированного состояния массива горных пород, деформациям земной поверхности, ее оседанию, или поднятию с образованием уступов и провалов [1]. Сходные процессы должны протекать при дегазации угольных пластов из горных выработок с помощью горизонтальных и наклонных скважин, разработке углеметановых месторождений с помощью скважин, пробуренных с земной поверхности как в зону "погашенных" угольных шахт, так и в ненарушенные горными работами угольные пласты, хотя характер и масштабы изменения напряжений и деформаций в горном массиве в этих случаях могут быть совсем иными. Анализ таких процессов должен производиться с учетом конкретных методов воздействия на горный массив, схем дегазации и развития процессов в течение времени промышленной эксплуатации скважин.
При извлечении пластового метана из зон "погашенных" угольных шахт как правило не требуется применения специальных технологий для повышения проницаемости, так как проводившиеся горные работы обычно создают дополнительные пути движения газа или разрыхляют породный массив. Поэтому проекты добычи
пластового метана в ряде стран осуществляются преимущественно с помощью этого метода.
При разработке ненарушенных угольных пластов наиболее важным является вопрос обеспечения экономической эффективности применяемых технологических разработок с учетом длительной эксплуатации скважин. Ключевым здесь является решение задачи увеличения проницаемости породного массива в зоне дегазации. Обычно в таких случаях используется гидроразрыв с последующим понижением пластового давления путем откачивания содержащейся в пласте воды для инициации процесса адсорбции. Эксплуатация такой скважины может продолжаться в течение нескольких лет [2]. Однако, как показывает практика, применение подобных технологий не всегда приводит к успеху, что свидетельствует об отсутствии достаточно надежных методик прогнозирования протекающих в массиве процессов с учетом техногенных воздействий. Так, например, в ходе многомесячного эксперимента в 90-х годах в северной части Рурского бассейна с применением технологий США достигнутые объемы добычи метана (пластового газа) не вышли на уровень экономической эффективности, и в 1997 году работы на угольном месторождении земли Северный Рейн-Вестфалия были приостановлены. При этом, однако, был подтвержден сам факт технической возможности добычи пластового газа с применением данных технологий.
В настоящее время назрела необходимость в проведении фундаментальных исследований в этой сравнительно молодой, развивающейся отрасли промышленного горного производства, связанная с существующими планами первоочередного освоения участков свит угольных пластов Кузнецкого и Печорского бассейнов на глубинах до 1,0-1,5 км. Одна из основных проблем, требующая безотлагательного решения, связана с обеспечением экономически эффективных объемов добычи, в течение достаточно продолжительного времени.
На наш взгляд одним из важнейших путей решения рассматриваемой проблемы является исследование геомеханических аспектов дегазации. Имеется ряд аналитических работ, в которых исследованы закономерности изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) дегазируемой области массива при его дегазации, установлены критерии оптимального расположения скважины относительно минимального и максимального го-
ризонтальных напряжений, и приведены рекомендации по определению межскважинных расстояний. Однако массив рассматривается обычно как однородная упругая среда, используемые математические методы базируются на механике сплошных сред, вводимые в уравнение константы не основаны на данных экспериментальных исследований, а изменение НДС рассматривается в зоне влияния одиночной скважины. Анализ же разрушения отдельных областей массива на базе численных методов [3] позволяет лишь наметить геометрию области, в которой выполняется какой-либо из прочностных критериев (например, критерий Кулона-Мора) и не позволяет оценить все существенные параметры разуплотнения и трещин в массиве, важные для оценки образования "новых путей" дегазации или изменения коллекторских свойств угольных пластов и вмещающих их горных пород. Кроме того после изменения свойств массива и перехода его из квазисплошного в дискретное состояние требуется и корректировка самих методов исследования. В случае невыполнения этого условия достоверность полученных результатов вызывает большие сомнения.
Нами была поставлена задача исследования на физических моделях одного из геомеханических аспектов проблемы дегазации, связанного с деформированием массива горных пород уже после проведения активных мероприятий по повышению газоотдачи угольных пластов в течение всего срока эксплуатации скважин с учетом расширения зоны дегазации. Выбор метода исследования на моделях из ЭМ был обусловлен его преимуществами при исследовании нелинейных процессов в дискретных средах при развитии процессов трещинообразования. Важность решения данной задачи связана с глубокими причинно-следственными связями процессов деформирования и трещинообразования угольных пластов и вмещающих пород с газопроницаемостью массива и эффективностью промыслового извлечения метана. По данным ряда исследователей [4, 5] основными путями миграции газа в углях средней и высокой стадии метаморфизма являются угольные пласты, так как газопроницаемость вмещающих горных пород значительно ниже. Однако - по данным других исследователей [6], например, для условий залегания углей марки БД-Г основными путями движения пластовых флюидов являются не угольные пласты, а песчаники вмещающей толщи. В этой работе приведены данные о влиянии зон с тектоническими нарушениями на газопроницаемость углей без значитель-
ных катагенетических изменении, когда при наличии растягивающих усилий (деформации) угли наравне с песчаниками могут быть хорошими проводниками газов. В районах развития углей средней и высокой стадий метаморфизма угольные пласты становятся хрупкими. При наличии тектонических сил и неравномерного уплотнения в угольных пластах и вмещающих породах образуются трещины, которые становятся основными путями миграции газов. При этом степень газопроницаемости зависит от конкретных параметров трещин: их протяженности, раскрытости, видов сопряжений. Однако в природных условиях эти параметры практически не изучены. В лабораторных условиях при исследовании образцов горных пород установлена возможность оценки параметров состояния трещинно-порового пространства по диаграмме механического состояния с учетом истории изменения НДС [7].
С учетом поставленной цели (исследования процессов деформирования и трещинообразования) одним из ключевых элементов при выборе критериев подобия в модели и натуре является обеспечение деформационного подобия не только дегазируемого участка пласта, но и горных пород в зоне его влияния, соответствующего подобию полных диаграмм в координатах у-е как при сжатии, так и растяжении. Решение этой задачи достигается подбором эквивалентных материалов, обеспечивающих подобие не только деформационных, но и прочностных характеристик горных пород:
Ем = б1 бг Ен (1)
ум = б1 бг ун (2)
„ Гсж.м а1аг°сж Г сж.н „
сж. м Т~* Т'' сж.н
Е ГГ Е Е
с^ю. м I у м н (3)
ГГ ГГ ГГ ГГ
раст. м у ^ раст.н
^ раст.. м -г-1 -г-1 ^раст.н
раст. м I у раст.н
или в общем виде: ем = ен
Таким образом, выполнение условия (2) может обеспечить подобие относительного деформирования угольных пластов, вмещающих пород и, следовательно, подобие эволюции процесса разуплотнения горных пород от упругой области до развития микро-и макротрещиноватости.
Помимо выполнения условия (2) при физическом моделировании процессов дегазации необходимо учитывать, что пористые
горные породы (например, песчаники, угли) при насыщении их флюидами (жидкостями или газами) увеличиваются в объеме ("разбухают"), а при извлечении из них флюидов уменьшаются в объеме (дают "усадку " [8, 9]. Установлено, что степень изменения объема зависит от ряда факторов: степени извлечения флюида, типа горной породы, типа флюида, давления флюида, процента пористости, формы и структуры пор.
Анализ экспериментальных данных показал, что при извлечении газов наблюдается "усадка " образцов в диапазоне от 0,5 до 3% для разных типов углей и газов при изменении давления газа от 0,5 до 5 МПа [10]. Аналогичные результаты получены в натурных экспериментах при дегазации угольного пласта веерно-кустовыми скважинами (относительные деформации угольного пласта составили от 1,5 до 2,6%).
Проведенные во ВНИМИ исследования позволили установить закономерности изменения объемных деформаций (усадки) при дегазации газонасыщенных образцов угля из Печорского и Кузнецкого бассейнов (начальное давление газа до 2МПа) при различных видах напряженно-деформированного состояния (НДС) и имитации давлений, действующих на глубинах до 1500 м. Установленные в ходе исследований диапазоны изменения усадки, приведенные к угольным пластам (Дт/ттах<2.5-3.0%), явились входными параметрами для расчета приведенных модулей деформации эквивалентных материалов (Едеф), изменяющихся в ходе физического моделирования дегазации и зависящих от степени дегазации.
Разработка рецептуры изготовления ЭМ проводилась с учетом критериев подобия и усредненных прочностных и деформационных параметров угольных пластов и вмещающих пород месторождений Кузнецкого и Печорского бассейнов:
Rсж.угл.пл. = 5-10 МПа, Ясж.вм.пор = 30-50 МПа;
Rсж.угл.пл/ Rраст.уг.пл 10-17, . К^ж.вм.пор. /Rраст.вм.пор.. 8-14;
Е уг.пл. = 2-Ф103 МПа, Евм.пор=1-3-104 МПа.
С учетом критериев прочностного и деформационного подобия при линейном масштабе 1:100 и соотношении удельных весов 1:1,7 основные параметры ЭМ должны находиться из уравнений:
Я сж.эм б1 бг ^ж, Я раст.эм б1 бг Rраст.
К сж.эм = б1 бг Ясж.уг = 0,0Ь0,6^(5-10)=0,03-0,06 МПа;
(Я раст.эм = 1,810-3 - 610-3 МПа);Я' сж.эм = б1 бг ^^сж.вм.пор = 0,01 0,06 (30-50) МПа= 0,18-0,30 МПа;
(Я раст.эм. = 12,510-3 - 3810-3 МПа);
Е' эм = б бг Еуг.пл. = 0,01^0,06^(2-4) -103МПа= 12-24 МПа;
Е' эм = б1 бг Евм.п = 0,010,06 (1-3) ^104МПа= 60-180 МПа.
При подборе параметров ЭМ варьировалась их рецептура с двумя видами мелкодисперсных наполнителей: кварцевого песка, резиновой крошки и четырьмя типами связующих: кремний-органической смолы, смол ДЭГ-1, ЭД-20 и парафина. В результате изменения их процентного соотношения обеспечивалось варьирование их деформационных и прочностных параметров для пяти типов ЭМ: П-Кр (кварцевый песок + кремний-органическая смола), П-Р-Эа (кварцевый песок + резиновая крошка + эпоксиалифатиче-ская смола), П-П (кварцевый песок + парафин), П-Эд (кварцевый песок + эпоксидная смола). Технология изготовления ЭМ включает в себя перемешивание смеси, её уплотнение. После стабилизации параметров ЭМ производится изготовление образцов ЭМ (5х5х10 см) и испытание их на сжатие и растяжение. Всего было испытано более 300 образцов ЭМ. С учетом полученных экспериментальных данных проводилась корректировка рецептуры и циклическое повторение основных технологических операций - до обеспечения требуемых параметров ЭМ в соответствии с критериями подобия. В результате проведенных работ было установлено, что прочностным и деформационным критериям в наибольшей степени соответствуют ЭМ на основе мелкодисперсного кварцевого песка (средняя фракция 0,2-0,3 мм) и эпоксиалифатической смолы типа П-Эа (с различными пропорциями основных рецептурных компонентов), обеспечивающие изменение основных параметров ЭМ в следующих диапазонах: Ясж=0,02-0,3 МПа; Яраст=(1,5-40,0)-10"3; Едеф. =15-150 МПа. Доказательством подобия процессов деформирования и трещинообразования в моделях из ЭМ могут служить результаты исследования акустической эмиссии (АЭ) на образцах из эквивалентных материалов данного типа. В результате экспериментов было установлено, что при увеличении нагрузки, прикладываемой к образцу, кривая акустической эмиссии, построенная по результатам регистрации сигналов с малой амплитудой, отличается от кривой, построенной на основе результатов регистрации сигналов с большой амплитудой. Так, например, низкоамплитудная кривая достигает своего максимума в начальной стадии нагружения, а высокоамплитудная при максимальной нагрузке. Подобная закономерность наблюдается и при нагружении горных пород, когда
трещины с малыми геометрическими размерами генерируют акустические сигналы с малыми амплитудами, а крупные трещины-сигналы с большими амплитудами. Данный факт позволяет сделать вывод, что в образцах из ЭМ и горных пород протекают идентичные процессы деформирования и трещинообразования, когда в начальной стадии нагружения в образце первоначально идет накопление мелких трещин, а затем по мере возрастания нагрузки их объединение все в более и более крупные.
В дальнейшем на базе данного ЭМ проводилось изготовление модели непосредственно на стенде с использованием технологического оборудования, примененного при разработке рецептуры ЭМ. Для моделирования был выбран горный массив со следующими основными параметрами: мощность дегазируемого и вышележащего угольного пласта: тугЛ=туг.2=2 м, расстояние между пластами -15 м, глубина их залегания 500-515 м, прочность угольных пластов и вмещающих горных пород - 5-10 МПа и 30-50 МПа, модули деформации - (2-4^ 103 МПа и (1-3)-104 МПа, соответственно. Размеры модели составили 3,0х1,5х0,2 м (масштаб 1:100).
В процессе испытаний моделировалась усадка нижнего дегазируемого угольного пласта в диапазоне от 0,5 до 2% в зависимости от степени дегазации и изменения размеров зоны дегазации в масштабах, соответствующих промысловому извлечению метана. При проведении экспериментов основное внимание было уделено определению параметров разуплотнения массива вдоль и перпендикулярно напластованию и оценке трещиноватости по мере увеличения площади дегазации, соответствующее увеличению объема извлекаемого метана. На рис.1, 2, 3 представлены результаты определения относительных вертикальных и горизонтальных деформаций при расширении зоны дегазации от 0 до 120 м (0, 20, 50, 85, 120 м).
При расширении зоны дегазации закономерности изменения относительных вертикальных деформаций носили явно
2---------------------------О
Рис. 1. График изменения относительных вертикальных деформаций при расширении зоны дегазации
выраженный знакопеременный характер (рис. 1). Области уплотнения (сжатия) с положительными значениями деформаций чередовались с областями разуплотнения с их отрицательными значениями. Зоны изменения деформаций “выходили” за пределы дегазируемой области массива. Колебания деформаций за пределами зоны влияния дегазируемой области массива на участке (200-250 м, рис. 1) в пределах ±0,25• 10-3 связаны с погрешностью измерений относительных деформаций ±(0,125-0,25)^ 10-3.
В целом, за пределами зоны дегазации наблюдалось уплотнение пород кровли, а в зоне дегазации, несмотря на чередование зон сжатия и растяжения, доминируют зоны с их разуплотнением. Большие величины вертикальных деформаций могут привести к расслоению пластов, и при определенных условиях (большой мощности дегазируемого угольного пласта, высокой степени извлечения метана) улучшить коллекторские свойства пород кровли вдоль напластования.
Максимальные величины разуплотнения соответствуют максимальным относительным вертикальным деформациям (-1,2)ч(-1,6)-10"3 в зоне дегазации, максимальная величина уплотнения -деформациям (+)1,0ч2,0-10"3 - за пределами зоны дегазации. Максимальный процент зоны разуплотнения (60%) установлен над дегазируемым угольным пластом при L = 50 м. При расширении зоны дегазации наблюдалось уменьшение удельной доли разуплотнения до 47% (при L = 85 м) и 31% (при L = 115 м). При этом, однако, максимальные значения относительных вертикальных деформаций разуплотнения с ростом L (от 50 до 120 м) увеличились в среднем с
0,710-3 до -1,510-3 .
Результаты определения относительных горизонтальных деформаций кровли егор. непосредственно над дегазируемым угольным пластом (ДН=2 м) и в непосредственной близости к смежному угольному пласту (ДН=15 м) представлены на рис.2 и рис. 3 соответственно. Закономерности изменения егор в отличие от еверт. имеют более плавный характер, причем как вблизи дегазируемого угольного пласта,( ДН=2 м), так и на расстоянии 15 м протяженность зон разуплотнения (при отрицательных величинах егор.) практически совпадает с размерами зоны дегазации ^=50, 85, 120 м), а области уплотнения (при положительных величинах егор. - с областями за пределами зоны дегазации).
Рис. 2 График относительных горизонтальных деформаций кровли егор непосредственно над дегазируемым угольньш пластом (ДН=2 м)
Рис. 3 График относительных горизонтальных деформаций кровли егор в непосредственной близости к смежному угольному пласту (ДН=15 м)
Максимальные амплитуды отрицательных значений егор. (-1,5-10"3) установлены при ДН=2 м и L=85; 120 м. В непосредственной близости от смежного угольного пласта (ДН=15 м) максимальные амплитуды отрицательных значений егор. (-0,75-10" ) также наблюдались при L=85; 120 м.
Максимумы положительных значений егор=1^10- зафиксированы вблизи дегазируемого угольного пласта (ДН=2 м) при L=120 м, вблизи смежного угольного пласта (ДН =15 м) максимум положительных значений егор. = 0,75^ 10- наблюдался при L=50 м.
Таким образом, установлена общая тенденция увеличения максимумов и положительных и отрицательных значений егор с увеличением зоны дегазации вблизи дегазируемого и смежного угольного пласта. При этом по мере удаления от дегазируемого пласта наблюдалось уменьшение максимума, как отрицательных, так и положительных значений егор.
Выводы
1. При расширении зоны дегазации развитие трещиноватости наиболее вероятно в зонах разуплотнения, соответствующим отрицательным значениям относительных вертикальных и горизонтальных деформаций, благоприятных для прорастания трещин вдоль и поперек напластования, соответственно.
2. Максимальные отрицательные величины относительных вертикальных деформаций в кровле дегазируемого угольного пласта (- 1,6-10 - ) при исследуемых параметрах массива (гН=16 МПа, Едеф = 2-104 МПа в отдельных зонах превышают упругие вертикальные деформации вмещающих пород ( 0,8-10 - ) , обусловленные величиной гН. При наличии в кровле других пластов угольной свиты с существенно меньшими значениями Едеф (2-103 МПа) их расслоения не происходит, так как упругие деформации сжатия (8-10-) значительно больше деформаций разуплотнения.
3. Максимальные отрицательные величины относительных горизонтальных деформаций в непосредственной кровле дегазируемого угольного пласта ( - 1,5-10 -3 ) в зонах дегазации при условии угор = 0,3 гН существенно превышают деформации поперечного сжатия вмещающих пород ( 0,25^ 10-3 ) и примерно соответствуют деформациям ближайших пластов угольной свиты, что благоприятствует развитию вертикальной трещиноватости.
4. Измеренные на модели величины вертикальных и горизонтальных деформаций по существу - являются усредненными на базе 10 метров в пересчете на натуру. Оценка параметров сдвижений по реперам с различной плотностью их расположения показывает, что величина отрицательных относительных деформаций, например, на базе 20, 50 метров меньше измеренных (база 10 м) в 1,5 - 2 раза. Уменьшение базы усреднения позволит в дальнейшем более точно оценить экстремальные значения деформаций и параметры трещин.
5. При дегазации более мощных угольных пластов величина абсолютной усадки увеличивается пропорционально их мощности. Это должно приводить к большему изменению НДС вмещающих пород и соответственно к большему разуплотнению массива и развитию трещиноватости.
6. С учетом масштаба моделирования 1: 100 нижней границе видимых трещин в натуре 0.1 мм (в соответствии с приведенной в отчете классификацией) в модели соответствуют «не видимым» трещинам 0,001 мм. Это предопределяет дальнейшие перспективы исследования микротрещиноватости с использованием приборов с соответствующим разрешением.
7. Проведенные исследования АЭ в образцах из ЭМ показали перспективность применения геофизических методов для оценки эволюции трещиноватости в моделях из ЭМ. При условии повышения частотного диапазона, чувствительности средств измерений и локации зон развития трещин появляется возможность более детального исследования процессов развития микро и макротрещиноватости.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Герович, Э.Г. Дементьев Л.Ф., Рахимкулов Р.С., Хурсик. В.З. Научнометодические основы геодинамического и маркшейдерско-геологического прогнозирования зон разрушения нефтепромысловых систем и экологической безопасности при проектировании и разработке нефтяных и газовых месторождений -Пермь: Перм.Гос.техн.ун-т., 1995. - 199 с.
2. Пройсе А. Рудничный газ - от побочного продукта к самостоятельному энергоносителю, журн.Глюкауф, 2002, №4, с.21-27.
3. Назаров Л.А. Развитие методов решения нестационарных задач для неоднородных сред и их приложение в геомеханике. Автореферат дисс., Новосибирск, 2000.
4. Исследование процессов возникновения внезапных выбросов угля и газа. М.”Наука”, 1978 г., 112 с.
5. Мякенький В.И. Сдвижение и дегазация пород и угольных пластов при очистных работах, Киев, "Наукова думка", 1975, 100 с.
6. Забигайло В.Е., Широков А.З. Проблемы геологии газов угольных месторождений . Изд.”Наукова думка”, Киев 172 с.
7. Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. С.П-б, ”Наука”, 2001, 343 с.
8. Эттингер И.Л., Шульман Н.В. Распределение метана в порах ископаемых углей. - М.:Наука, 1975, с.87-97.
9. Айруни А.Т. Прогнозирование и предотвращение геодинамических явлений в угольных шахтах. М., ”Наука”, 1987, 310 с.
10. Карманский А.Т., Ильинов М.Д. (ОАО «ВНИМИ»), Сальников А.А. Изменение коллекторских свойств углей под действием пля механических напряжений. Геомеханические и геодинамические аспекты повышения эффективности добычи шахтного и угольного метана. Рабочее совещание 22-22 сентября 2006. Сб.докладов. С.-Пб, 2007. И5ГЛ=1
Zuev B.J., Shik V.M.
PHYSICAL MODELLING OF ROCK MASSIFS DEFORMATION PROCESSES AT PRELIMINARY DEGASSING OF COAL LAYERS
The paper presents the experimental data on the deformation of rock mass with coalbed methane production from undisturbed coal seams. The data were obtained on physical models from equivalent materials with reproduction of extension of degassing area in the long-term service of degassing wells.
Key words degassing of coal seams, bedded methane, mining manufacture.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------
Зуев Б.Ю. - кандидат технических наук, зав. лаб. моделирования НЦ СПГГИ(ТУ), ст. научн. сотрудник. е-таіі: zuev_bu@spmi.ru.
Шик В.М. - профессор, доктор технических наук, горный инженер. е-таіі: shikvm@mail.yandex.ru.
Санкт-Петербургский государственный институт (технический университет).
