Моделирование процессов деформации и разрушения угля при нагнетании жидкости в пласт Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

чение К<10'10'4 см [3[.

Таким образом, полученные результаты подтверждают возможность не только оценивать происходящие в угольном пласте процессы по данным лабораторных экспери-

1. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа. - М., ИГД им. A.A. Скочинского. - 1989. - 191 с.

2. Ковалева И.Б., Соловьева ЕЛ. Влияние влаж-

ности и петрографического состава угля на кинетику сорбции метана. //Горный Информационно-

ментов, но и прогнозировать характер газо-выделения из пласта, а, следовательно, эффективность заблаговременной дегазации и перспективы добычи угольного метана.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. - № 6. -2002. - С. 73 - 75.

3. Ковалева И.Б., Соловьева Е.А. Перспективы диагностирования способности угольных пластов к газо-отдаче по диффузионно-кинетическим характеристикам слагающих их углей. //Горный Информационно-

аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. - № 5. -2001. - С.117-120.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------

Ковалева И.Б. - кандидат технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН/ Соловьева Е.А. - Институт проблем комплексного освоения недр РАН/

Коликов К. С. — доктор технических наук, Московский государственный горный университет/

------------------------------------- © С.П. Ворошилов, А.А. Трубицын,

Н.В. Трубицына, С. Грюнинг, 2004

УДК 622.807.4

С.П. Ворошилов, A.A. Трубицын, Н.В. Трубицына,

С. Грюнинг

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ УГЛЯ ПРИ НАГНЕТАНИИ ЖИДКОСТИ В ПЛАСТ

Семинар №5

сследовалось механическое поведение (деформация и разрушение) под нагрузкой стандартного мезообъема угля различной пористости и влажности (0,2,3,5,7,10 %). Модифицированы модели и методы решения задачи о механическом поведении

мезообъема угля с позиций физической мезоме-ханики гетерогенных материалов.

Численно решалась следующая задача: деформация и разрушение мезообъема угля разной пористости и влажности при заданной глубине залегания (200 м, в конкретном примере расчета), т.е. в стесненных условиях де-

формирования при нагнетании воды в поровое пространство. Исходное состояние нагружаемого мезообъема угля принималась следующим:

- поры (как «пустые», так и заполненные водой) считаются изолированными;

- горное давление равно 5,0 МПа, что соответствует глубине залегания 200 м при средней плотности пород 2,5 г/см3;

- приблизительно 50 % пор считается заполненными водой при давлении окружающей среды 5,0 МПа;

- нагружение мезообъема осуществляется повышением давления воды в порах до рабочего (5, 10, 15, 20, 25 МПа избыточного давления). Давление растет со временем по заданному закону, в области избыточного давления 525 МПа близкому к линейному. В процессе нагружения либо заполнялся некоторый объем пустых пор и в дальнейшем картина не менялась, либо происходит гидроразрыв мезообъема на несколько крупных кусков, при соответствующем проценте заполнения части пустых пор.

Так как поры считаются изолированными, то заполнение пустых пор осуществляется путем разрушения материала между близкими порами - т.е. происходит локальный гидроразрыв. Как только такое слияние близких пор произошло, пустая пора считается заполненной водой, и давление в ней устанавливается такое же, как и в заполненных водой порах, т.е. равно рабочему. Исследовались как процент заполнения пор во времени, так и общая картина деформации и разрушения мезообъемов. Результаты расчетов приведены в таблице.

Как видно из таблицы, полностью заполнить поры водой ни в одном случае не удается. Причем, относительный процент пустых пор остается практически неизменным и составляет порядка 10 % от общей начальной пористости. К

этим 10 % относятся в основном самые мелкие, а также отдельные более крупные, но сильно изолированные поры.

Избыточное давление 15-25 МПа является критическим в том смысле, что именно при достижении этих давлений происходит ускоренное разрушение и заполнение пор водой.

При низкой пористости (менее 3 %) механическое поведение мезообъема угля характеризуется следующими процессами. Процесс заполнения порового пространства жидкостью (теоретическая влагоемкость образца) происходит не равномерно и представлен ступенчатой функцией. При этом каждому скачку среднего давления в мезообъеме соответствует резкое увеличения процента заполнения порового пространства, которое обусловлено прежде всего развитием протяженной и достаточно широкой трещины. При этом наступление гидроразрыва в данном случае зарегистрировано при относительно низких избыточных давлениях (при пористости 2 % - 9 МПа, 3 % - 15 МПа), что стимулируется концентратором напряжений около крупной поры в центре образца. Относительно высокая заполняемость порового пространства в этом случае обеспечивается несколькими крупными пустыми порами.

Весь образец разделен локальными гидроразрывами на несколько крупных кусков и изолированные мелкие поры не заполняются, т.е. развития разветвленной системы трещиноватости не наблюдалось. Максимальная теоретическая влагоемкость образца, полученная в результате моделирования, составила 2,8 %, но ее высокие значения обусловлены только наличием двух магистральных трещин, которые не могут обеспечить эффективного и равномерного увлажнения образца. При дальнейшем увеличении давления нагнетания с ростом напряжений в мезообъеме степень разрушенности материала стается не высокой (2,5-4,5 %), его

Заполняемость пор водой в зависимости от исходной пористости и давления

№ Давление Степень заполнения водой с ( %) при общей пористости

Р, МПа. 2 % 3 % 5 % 7 % 10 %

1 2,6 0,95 1,47 2,40 3,60 5,04

2 9,0 0,96 1,59 2,42 3,62 5,49

3 16,7 1,28 2,18 2,72 3,80 6,09

4 22,8 1,46 2,27 3,47 4,96 7,50

5 26,8 1,80 2,32 4,52 6,14 7,98

6 28,8 1,80 2,54 4,59 6,50 8,67

7 29,6 - 2,73 4,61 6,55 8,97

8 30,0 - 2,79 4,61 6,57 9,07

увлажнения в исследуемом диапазоне давлений достичь не удалось, что объясняется высокой концентрацией напряжений в зоне магистральных трещин.

При пористости более 5 % наблюдается качественное изменение поведения среды. Уже на первом этапе с ростом давления нагнетания до 5-7 МПа происходит интенсивное развитие сети трещин по всему объема образца. При этом доля разрушенного материала практически совпадает с объемом заполнения порового пространства водой. Основная часть разрушенного материала совпадает с направлением развития трещин и, таким образом, образовавшаяся в результате микроразрушений образца угольная пыль связывается жидкостью. При этом заполнение порового пространства происходит не скачкообразно, как при пористости 2 - 3 %, а плавно с ростом давления нагнетания, что свидетельствует об отсутствии гидроразрывов и увлажнении образца в режиме фильтрации. В диапазоне давлений нагнетания порядка 25 МПа при пористости 5 % и 22 МПа при пористости 7 % происходит качественное изменение картины разрушения. Дальнейшее заполнение пор резко замедляется и быстро возрастает разрушение безпо-рового пространства. При пористости 5-7 % ярко выражено дробление образца на более мелкие фрагменты по сравнению с меньшей и большей пористостью. Возрастает доля как полностью разрушенного материала, так и доля разрушенного и увлажненного материала. Таким образом, при пористости более 5 % происходит равномерное увлажнение угля в ре-

жиме фильтрации с образованием развитой системы трещиноватости и максимальным заполнением порового пространства, что является необходимым условием для достижения максимальной эффективности увлажнения угля с целью снижения пылеобразования при выемке угля.

При пористости 10 % разрушение безпоро-вого пространства начинается при низких давлениях менее 5 МПа, но развитие этого процесса проходит более равномерно, без ярко выраженных перегибов.

Качественная картина этих сценариев понятна. При низкой пористости создается существенно неоднородное напряженное состояние и срабатывают исходные концентраторы напряжений. При высокой пористости (10 %) 5 %-ное заполнение водой порового пространства создает более однородное напряженное состояние. Следует отметить, что картина механического поведения мезообъема угля с высокой (более 10 %) пористостью при высоких давлениях (более 5 МПа) аналогична поведению мезообъема угля с низкой пористостью, т.е. увеличивается вероятность возникновения гидроразрыва угля. Таким образом, область применения увлажнения для углей с высокой пористостью должна быть ограничена низконапорным нагнетанием жидкости с давлением менее 5 МПа. Кроме того, анализ полученных данных выявил возможность определения оптимальных параметров нагнетания жидкости в пласт с целью снижения пылеобразования по результатам компьютерного моделирования с применением методов физической мезомеханики угля.

Коротко об авторах

Ворошилов Сергей Петрович - кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории экспертизы условий труда, борьбы с пылью и предупреждения профзаболеваний НЦ ВостНИИ.

Трубицын Анатолий Александрович - доктор технических наук, заведующий лабораторией экспертизы условий труда, борьбы с пылью и предупреждения профзаболеваний НЦ.

Трубицына Нэля Вадимовна - кандидат технических наук, заместитель заведующего лаборатории экспертизы условий труда, борьбы с пылью и предупреждения профзаболеваний НЦ ВостНИИ.

Грюнинг Сильвио - горный инженер, фирма ДБТ (Германия).