CC BY
4
6. Remezov A.V., Klimov V.V. Investigation of the influence of reference pressure from the treatment face and PGD zones on mine workings // Bulletin of KuzSTU. 2011. No. 4(84). pp. 40-43.
7. Galvin J.M. Ground engineering - principles and practices for under-ground coal mining // Springer International Publishing, 2016. 684 p.
8. Federal norms and rules in the field of industrial safety "Instructions for the prediction of dynamic phenomena and monitoring of rock mass during mining of coal deposits" (approved by the order of the Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision dated 10.12.2020 No. 515; registered on 30.12.2020 No. 61949.
9. Mechanics of rocks and stability of mine workings Kuzbass / V.M. Stankus [et al.]. Kemerovo: Kemerovo Book Publishing House, 1973. 345 p.
10. Federal norms and rules in the field of industrial safety "Safety rules in coal mines" (approved by the order of the Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision dated 08.12.2020 No. 507; registered on 18.12.2020 No. 61587.
11. Instructions for the management of rock pressure in the treatment faces under (above) the whole and edge parts when developing a suite of coal seams with a capacity of up to 3.5 m and a drop angle of up to 35°. L.: VNIMI, 1984. 62 p.
УДК 550.3 + 551 + 622
О ПРОБЛЕМЕ РАЗРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИХ ОСНОВ
ТЕОРИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ГАЗООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
В.Н. Опарин, Н.М. Качурин, Т. А. Киряева, В.П. Потапов
Рассматривается актуальная проблема безопасного недропользования Земли в усложняющихся горно-геологических и природно-климатических условиях, роста глубины и масштабов разрабатываемых месторождений полезных ископаемых различных видов и фазового состояния. Показано, что в современных условиях развития фундаментальных и прикладных исследований обозначенная Проблема с годами становится не только «обостряющейся» по своей актуальности, но и созданы реальные предпосылки для успешного ее решения с опорой на достигнутые уже результаты. В России они связаны, в первую очередь, с установлением главных механизмов формирования и особенностей развития очаговых зон повышенной концентрации напряжений и деструкции массивов горных пород и геоматериалов, обладающих блоч-но-иерархической структурой, многофазностью и проявляющих свойства открытых самоорганизующихся геосистем, находящихся в тектоническом поле напряжений и деформаций. На базе современных достижений нелинейной геомеханики и геофизики, облачных Big Data информационных технологий обоснован новый (энергетический) методологический подход и соответствующие ему методы, а также технические (приборно-измерительные) средства, программные комплексы для формирования многослойной геоинформационно-мониторинговой системы диагностики, контроля и про-
гнозирования промышленной и экологической безопасности стратегически важных горнодобывающих регионов Сибири, успешно прошедшей апробацию в натурных условиях (Кузбасс, Норильск, Новосибирская обл. и др.).
Ключевые слова: экспериментально-теоретические исследования, физика и геомеханика очаговых зон разрушения горных пород, пожаро- и выбросоопасность, энергоэмиссионные события, комплексная геоинформационно-мониторинговая система, угольные месторождения Кузбасса.
Введение
Обозначенная в названии настоящей статьи актуальная ныне проблема, на решение которой направлено научное исследование по проекту РНФ № 23-17-00148, связана с разработкой экспериментально-теоретических основ количественного описания взаимосвязей нелинейных геомеханических и физико-химических массо-газообменных процессов в многофазных напряженных геосредах, в основном на примере угленосных массивов горных пород и геоматериалов при нарушении их равновесного напряженно-деформированного и термодинамического состояний в натурных условиях ведения подземных и открытых горных работ. Речь идет о сложных горно-геологических и природно-климатических условиях Сибири с повышенным сейсмическим риском от землетрясений и массовых технологических взрывов, а также большим влиянием температурного и геоструктурного факторов. Они существенно определяют уровень геоме-ханико-геодинамической и геоэкологической безопасности объектов крупномасштабного недропользования данного региона России и соответственно устойчивость функционирования горнодобывающих предприятий и энергоэффективность ведения горных работ.
Планируемое к реализации научное исследование ориентировано, в первую очередь, на осуществление значительного вклада в решение одной из ключевых проблем - разработки научных основ критически важной в РФ «Технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера». Для горнодобывающего комплекса нашей страны данный «технологический акцент» имеет особо важное значение в стратегии развития государства на весьма длительную перспективу: как в социально-экономическом, энергосберегающем технологическом, так и геоэкологическом аспектах. Геоэкологический аспект особо обозначен в Указе Президента Российской Федерации № 76 от 08.02.2021 года: «О мерах по реализации государственной научно- технической политики в области экологического развития Российской Федерации и климатических изменений» (вместе с «Положением о совете по реализации Федеральной научно-технической программы в области экологического развития Российской Федерации и климатических изменений на 2021 - 2030 годы»).
1. Актуальность и фундаментальная научная значимость обозначенной проблемы
Поскольку ожидаемые результаты имеют самое непосредственное отношение к обеспечению техногенной безопасности при добыче полезных ископаемых и подземном строительстве, данные исследования равным образом важны и для направления «Противодействие техногенным, биогенным, социокультурным угрозам, терроризму и идеологическому экстремизму, а также киберугрозам и иным источникам опасности для общества, экономики и государства» в части, касающейся повышения защищенности горно-добывающей отрасли от природно-техногенных аварий и снижения тяжести их последствий.
Иерархичность строения и комплексность влияния природных факторов (структурно-геологических, геомеханико-геотектонических, природно-климатических) на техногенные при разработке месторождений полезных ископаемых Сибири (используемые ныне и необходимые фактически геотехнологии) в современных условиях крупномасштабного недропользования Земли требуют особого внимания к опережающему развитию научных основ для новых энергоэффективных, геомеханико-геодинамически и геоэкологически безопасных геотехнологий освоения месторождений «углеводородного ряда» (угольные, нефтегазовые, горючих сланцев и т.п.) в условиях роста глубин отрабатываемых продуктивных горизонтов, а также, соответственно, уровня горного давления и температуры, изменений структуры и фазового состояния геовещества в изменяющихся горно-тектонических и природно-климатических условиях. В этом направлении весьма актуальных научных исследований и прикладных геотехнологических разработок велика роль фундаментальных представлений, описываемых в рамках общей Теории - взаимодействия между нелинейными геомеханическими и физико-химическими массо-газообменными процессами при отработке месторождений «углеводородного ряда». Необходимость создания такой теории очевидна также и для осуществления комплексного мониторингового контроля возможных негативных последствий реализуемых технологических процессов на объектах крупномасштабного недропользования Земли с позиций профилактики негативного техногенного влияния на среду обитания животного и растительного мира, геоэкологию в целом.
Решение обозначенной комплексной проблемы для угольных месторождений Кузбасса требует и соответствующей научной методологии, позволяющей объединить в себе многообразие по качеству и количеству используемых в практике ведения горных работ значимых параметров для контроля эффективности осуществляемого горного производства. Без привлечения современных возможностей аэрокосмических методов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в увязке с традиционными методами геомеханических исследований на объектах горного
недропользования с применением наземных и подземных измерений, а, следовательно, разработки новой методологии их комплексирования на базе современных облачных геоинформационных технологий Big Dаta, решение подобного уровня уже (!) возникших проблем становится практически невозможным. Здесь большие перспективы видятся в развитии и применении единого энергетического (методологического) подхода к созданию мирового уровня комплексных систем аэро-космического дистанционного и традиционного геомеханического (многопараметрического) наземного и подземного мониторинга для изучения этапов формирования очаговых зон природно-техногенных катастрофических событий (горные удары, взрывы, подземные пожары) на крупномасштабных объектах горного недропользования Сибири - с особым акцентом на угольные месторождения Кузбасса. Они стратегически важные для экономики не только России, но и мира: прежде всего, как минерально-сырьевая основа для энергетического, металлургического и химико-технологического направлений развития промышленности.
Отмеченное выше предполагает использование накопленного в горном деле научно-методического и геотехнологического задела за долговременный период научных исследований и технико-технологических разработок не только угольных, но также и крупнейших рудных месторождений Сибири (Норильское, Таштагольское и др.). Он обобщен в ряде монографических изданий [1-13]. Конкретная постановка обозначенной в названии статьи проблемы с подробным описанием истории ее возникновения, фундаментальной научной значимости, актуальности ее решения и уже имеющимся необходимым научным заделом для его успешной реализации описаны впервые сравнительно недавно в работах [12-14].
Так, постановка и пути решения обозначенной проблемы даны в [14], а с позиций необходимости учета геоэкологических последствий недропользования - в [12, 13]. Поэтому важное значение нами уделяется и прикладному (геоэкологическому) аспекту на базе разрабатываемой теории - последствий функционирования объектов крупномасштабного недропользования Сибири. Данный аспект исследований и разработок, как существенно прикладной по ожидаемым результатам фундаментальных исследований, является своевременным и конструктивным относительно реализации Указа Президента РФ от 08.02.2021 года № 76.
Фундаментальная научная значимость и актуальность сформулированной в названии статьи проблемы во многом обусловлены современными научными достижениями и открытиями, особенно последних лет, в нелинейной геомеханике и геофизике, связанными с исследованиями процессов формирования и развития очаговых зон катастрофических событий в горнотехнических и природных геосистемах. Соответствующие достижения в данном направлении научных исследований
и разработок обобщены в опубликованных в 2018-2021 годах капитальной двухтомной монографии международного коллектива ведущих ученых [12], а также монографии «Новые методы и информационные технологии в экспериментальной геомеханике» [13]. В частности, к числу важнейших достижений здесь отнесены такие принципиальной значимости результаты, как открытие «поршневого механизма» протекания массо - газообменных процессов в многофазных напряженных геосредах блочно - иерархического строения при нарушении их равновесного геомеханического состояния, а также его детерминированная связь с нелинейными деформационно - волновыми процессами, индуцируемыми из очаговых зон разрушения массивов горных пород и геоматериалов в результате землетрясений, горных ударов и технологических взрывов.
Открытие «поршневого механизма» позволило заключить о том, что в современных условиях появились достаточные основания для постановки и решения обозначенной в проекте комплексной Проблемы по разработке основ теории взаимодействия нелинейных геомеханических и физико-химических процессов в многофазных напряженных углепородных массивах. Она одинаково важна, как фундаментальная, не только в решении задач геомеханико-геодинамически и геоэкологиче-ски безопасного недропользования в угледобывающих бассейнах нашей страны, так и для создания новых энергоэффективных геотехнологий отработки месторождений твердых полезных ископаемых Сибири в усложняющихся горно-геологических, природно-климатических условиях, роста глубины залегания продуктивных горизонтов, значительного влияния геоструктурного и температурного факторов, а также сейсмического фона от землетрясений и массовых технологических взрывов, но и для разработки месторождений нефте-газовых, горючих сланцев.
Таким образом, с учетом иерархического строения, крупномас-штабности объектов недропользования, решение столь крупной и комплексной в своей основе проблемы осуществлять необходимо на единой (энергетической) методологической основе: с привлечением не только традиционных экспериментальных измерительных средств, но и новых аэрокосмических инструментальных методов, а также мирового уровня облачных Big Data геоинформационных технологий. Для этого в настоящее время имеются все необходимые предпосылки [1 - 14].
2. Современное состояние и основные направления исследований в мировой науке по данной проблеме
Как свидетельствует мировой опыт эксплуатации нефтегазовых и угольных месторождений по процессам интенсификации дебета нефти и газов в разрабатываемых продуктивных толщах углеводородного сырья, включая и дегазацию угленосных толщ различной стадии их метаморфизма, широко применяемые ныне геотехнологии флюидо-гидро-
расчленения породных массивов в результате приводят к практически неконтролируемому общему процессу: «переформированию» исходного по структуре месторождения в очень сложную многосвязную область геосреды с возникновением замкнутых целиковых структур с трудно -или практически неизвлекаемыми запасами полезных компонентов традиционно применяемыми технологиями их добычи [15, 16]. Такие «целиковые» структуры качественно меняют топологические свойства проницаемости газовых и флюидных компонент в продуктивных слоях и вмещающих породных массивах угольных и нефтегазовых месторождений. В результате это приводит к утрате очень значительных объемов неизвлеченного полезного ископаемого как по экономическим причинам, так и из-за возникновения практически неконтролируемым (а следовательно, технологически неучитываемым) геомеханическим процессам, сопряженным с катастрофическими событиями: внезапными выбросами угля и газа, горных ударов, неожиданными обрушениями налегающих и подстилающих массивов пород, возникновения очагов подземных пожаров - при разработке угольных месторождений; несоответствия объемов потенциальных запасов углеводородного сырья реально извлекаемым их объемам из разрабатываемых нефте-газовых или сланцевых месторождений - по несоответствию используемых геотехнологий реально необходимым [15, 16].
В монографиях [15 - 18] впервые экспериментально и теоретически доказано, что на базе применения особых свойств нелинейных упругих волн маятникового типа имеются реальные возможности для решения обозначенных выше задач, составляющих очень сложную геотехнологическую проблему: энергоэффективного и геомеханико-геоэкологически безопасного извлечения углеводородного сырья из многофазных породных массивов в различных горно-геологических, геотектонических и природно-климатических условиях огромной части Евразийского континента, занимаемого Россией. Здесь достаточно полно проанализированы за более чем полувековой период этапы развития и достигнутый ныне уровень исследований и экспериментально-теоретических разработок, а также традиционно применяемых ныне геотехнологий в нашей стране и за рубежом в освоении угольных и нефтегазовых месторождений, особенно с позиций безопасного недропользования Земли и господствующих ныне теоретических представлений в обозначенных выше аспектах.
Применительно же к нефте-газовым месторождениям (которых в современную эпоху становится все большее по количеству) с так называемыми трудноизвлекаемыми нефтью и газом (и соответственно, переходящих в разряд нерентабельных для дальнейшей эксплуатации) в монографии [15] впервые в мире авторами изложены и верифицированы в натурных экспериментах новые геомеханические и технологические основы увеличения нефтеотдачи пластов с применением виброволновых техно-
логий воздействия с поверхности Земли низкочастотными (до 8 Гц) мощными установками. Проводимый долговременный комплекс исследований показал, что в основе такого геотехнологического влияния на достаточно глубоко залегающие продуктивные пласты (до 2 - 3,5 км) оказывает динамическое влияние низкоскоростная (до нескольких м/с) группа волн маятникового типа, индуцируемая мощными виброустановками специальной конструкции.
Для угольных месторождений аналогичный комплекс исследований начат сравнительно недавно для Кузбасса (впервые в мире) в [16 - 24]. Здесь доказано, но уже на примере источников динамического воздействия в виде мощных горно-тектонических ударов и технологических взрывов (а ранее [12, 18] - для рудных месторождений Норильска и Таштагола), существенное влияние индуцируемых ими низкочастотных и низкоскоростных групп волн маятникового типа на изменение напряженно-деформированного состояния углепородных массивов, их газодинамическую активность, пожаро - и искровзрывоопасность, интенсивность протекания механо-эрозионных процессов при открытой разработке угольных месторождений (составляют до 60% для Кузбасса). Выполненный анализ состояния исследований свидетельствует о том, что в современных условиях достаточно быстрого перехода к разработке месторождений твердых полезных ископаемых и углеводородного сырья на возрастающих по глубине залегания продуктивных горизонтах особую актуальность приобретает решение фундаментальной комплексной проблемы [25]: разработки экспериментально-аналитических основ общей теории взаимодействия нелинейных геомеханических и физико-химических массо-газообменных процессов в напряженных многофазных геосредах блочно-иерархического строения при нарушении их равновесного состояния ведением горно-добычных работ.
Для решения этой сложной проблемы необходимы развитие перспективных и разработка новых методов, а также единого методологического подхода к анализу и комплексированию разнородной по качеству и иерархически разномасштабной информации по объектам горного недропользования, которые бы позволяли на основе реально наблюдаемых феноменологических связей между контролируемыми процессами в натурных условиях освоения месторождений полезных ископаемых осуществлять не только достаточно надежное прогнозирование катастрофических проявлений горного давления, с учетом структурного и температурного факторов влияния изменений их с глубиной от поверхности Земли, но и создавать новые энергоэффективные и безопасные геотехнологии отработки продуктивных горизонтов минерального сырья в сложных горно-геологических и природно-климатических условиях общего недропользования в Сибири.
Следовательно, решение сформулированной в названии настоящей статьи проблемы актуально в мире и связано с экспериментальным изучением, а также установлением новых феноменологических связей и соответствующих им механизмов, позволяющих на их основе создавать новые методы и аналитический аппарат для корректного количественного описания взаимодействия нелинейных геомеханических и физико-химических массо-газообменных процессов в многофазных (в т.ч. - углепородных) массивах, вмещающих отрабатываемые продуктивные пласты. По-существу, это составляет основную идею по постановке и реализации указанного выше проекта РНФ № 23-17-00148 с ожидаемыми результатами, необходимыми для принятия важных решений как в построении специализированного вида мониторинговых систем прогнозирования катастрофических событий, так и выделения «критериальных показателей» энергоэффективности и геомеханико-геоэкологической безопасности ведения горных работ на функционирующих объектах горного недропользования России. На их базе, следовательно, должна проводиться количественная комплексная оценка геомеханического и геоэкологического состояния контролируемых объектов и/или геосистем в целом с позиции возможного их перехода в новые «фазовые состояния» - катастрофического вида.
Отмеченные выше сведения свидетельствуют о принципиальной значимости газовой компоненты и внутренней структуры углей, а также углепородных массивов в прогнозировании их газодинамической реакции на различного вида внешние геомеханические воздействия, где учет их термодинамического и напряженно-деформированного состояния, много-фазности, блочно-иерархического строения и энергетических параметров источников индуцирования нелинейных деформационно-волновых процессов (волн маятникового типа) приобретает фундаментальную значимость. Этот аспект впервые изучался как влияние крупных землетрясений на газодинамическую активность угольных шахт Кузбасса с позиций применимости для объяснения его механизма теории нелинейных упругих волн маятникового типа, лежащей также в основе динамического взаимодействия между геомеханическими (деформационно-волновыми) и физико-химическими массо-газообменными процессами в угольных пластах [15, 16].
Здесь было доказано, что аналитической основой для описания установленных детерминированных связей между существующими нелинейными геомеханическими и физико-химическими процессами в напряженных угленосных массивах под влиянием изменяющегося напряженно-деформированного и термодинамического их состояний, а также природ-но-техногенных землетрясений, взрывов и других динамических источников может служить операторное соответствие между физико-химическим уравнением И. Ленгмюра и кинематическим уравнением В.Н. Опарина для волн маятникового типа. В работе [15] впервые дан обширный и систем-
ный анализ состояния и уровня исследований в мире по обозначенной в его названии проблеме за минувший век, с выделением актуальных направлений необходимых и перспективных фундаментальных исследований.
Здесь в качестве главных достижений по теории маятниковых волн выделены следующие.
Кинематическое уравнение В.Н. Опарина для волн маятникового типа
а _ (1 + *М)а8ар
а _ а , г п а—, (1)
где ^ - скорость распространения маятниковых волн; Ор - скорость распространения продольных волн в геоблоках-носителях маятниковой волны; 08 - средняя скорость (по модулю) трансляционного движения «соударяющихся» геоблоков диаметром А; у[а] - геоструктурный параметр блочно-иерархически построенной геосреды, зависящий от напряженного состояния а;
Энергетическое условие возникновения и распространения волн маятникового типа по В.Н. Опарину
W = a(V)[U0 + Wk ] , (3)
где М - масса и V - объем очаговой зоны; U0 - потенциальная и Wk - кинетическая энергии структурных геоблоков очаговой зоны объемом V; a(V) -коэффициент сейсмического действия подземных взрывов по М.А. Садовскому; р - плотность горных пород; 0p - известные аналитические выражения для упругих волн продольного типа, зависящие от вида волноводных структур (одномерные, плоские, объемные), механических свойств их вещества - модуля Юнга, коэффициента Пуассона и плотности.
В работе [Oparin V. N., Timonin V. V., Karpov V. N., Smolyanitsky B. N. Energy-based volu-metric rock destruction criterion in the rotary-percussion drilling technology improvement // J. of Mining Sci. 2017. Vol. 53. No. 6. Pp. 1043-1064] эти достижения ныне активно используются в новом виде геотехнического мониторинга энргоэффективности работы буровых систем.
На этой основе и применения соответствующих базовых механических моделей выведен оператор аналитической связи между уравнениями Ленгмюра и Опарина (экспериментальные данные). Эти сведения иллюстрируют приводимые далее рис. 1 - 2 и формулы с учетом
(1) - (3):
A = а—!—; П{...} = 1 + bp
v[ a]S p ^A* p (v[a] +1) где A - аналог в уравнении Ленгмюра,
A P
к ^
1
(4)
a
a = a; Q{Sv} = {A}; p = b-v[a]S;
(5)
Рис. 1. Механическая модель к расчету скоростной характеристики 9\ маятниковых волн. Е^) - энергосиловые параметры Wk~F источников динамического события (землетрясение, взрыв, удар и т.д.)
Рис. 2. Схема структуры каменных углей: Ьа - диаметр углеродного слоя, Ьс - толщина слоя, doo2 - расстояние между углеродными
сетками
Оператор В.Н. Опарина отображает множество {&у} нели-
нейных деформационно-волновых процессов, описываемых кинематическим уравнением Опарина для их скоростной характеристики , на множество физико-химических массо-газообменных процессов, описываемых объемным аналогом {А} для изотермы мономолекулярной абсорбции газов/жидкостей классического уравнения Ленмюра (а и Ь - коэффициенты сорбции, р - давление).
Для общего случая в операторе используются функциональные зависимости для скорости распространения маятниковых волн. Решение поставленной задачи по установлению непосредственных количественных
связей между деформационно-волновыми и физико-химическими процессами, протекающими в реальных многофазных органогенно-насыщенных массивах горных пород, при нарушении их исходного напряженно -деформированного состояния свелось к поиску калибровочных коэффициентов а и в для этого оператора. Отмеченное выше имеет непосредственное отношение к описанию аналогичных процессов для месторождений «углеводородного ряда»: нефтегазовым, угольным, горючих сланцев и др.
Для определения входящих в оператор Q (...) калибровочных коэффициентов связи между «разнородными» (адсорбционными и геомеханическими) процессами, но уже как аналитического продолжения уравнения Ленгмюра во временную область требуется уточнить «смысловую нагрузку» и вид представления геомеханического инварианта уд (5) = 5 / А.
Он характеризует средние отношения раскрытия трещин к их длине в напряженных массивах горных пород. Его физико-химическим аналогом [13] для надмолекулярных (нано-микро) структур внутреннего строения
угольного вещества является параметр ц* = d002 / lc,
гдеlc = Lc /(N-!)-d002.
Для экспериментального исследования структурных особенностей углей применялись современные методы микроскопии и дифракционного анализа, в том числе после температурной обработки и in-sutu. Были использованы методы рентгенофазового анализа (РФА) и масс-спектрометрии в режиме in situ. Дифракционные картины были получены в Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН на порошковом рентгеновском дифрактометре фирмы Bruker (Германия). В результате получены зависимости, представленные на рис. 3 - 5.
Рис. 3. Зависимость диаметра углеродного слоя La от выхода летучих веществ У^
Рис. 4. Зависимость толщины слоя Lc от выхода летучих веществ У^
Рис. 5. Изменение объема пор от выхода летучих веществ Ука
и марки угля (Т-Д)
Из приведенных графиков следует, что при увеличении стадии метаморфизма каменных углей толщина углеродного слоя Ьс для углей высокой и средней стадий метаморфизма «плавно» увеличивается до двух раз, а диаметр углеродного слоя Ьа практически не меняется. При этом размеры и объем пор немонотонно (!) возрастают. Это свидетельствует, например, о большей роли температурного фактора влияния при образовании графитов, чем горного давления в процессе метаморфизма угленосного вещества.
По данным натурного определения коэффициентов сорбции а, Ь находились соответствующие им калибровочные коэффициенты а и р
(рис. 6, таблица 1):
а = -0,0012(у^)3 + 0,091 (у^)2 -2,25^ + 35,7 м3/т, (6)
Ь = 3,9 (Уааа )-0,3 1/МПа. (7)
з
2,5
^ 1,5 1
0,5 0
•
Г я2 = о. 8087
• \
• •
•
20 40 60
уЛаГ о/о
Рис. 6. Зависимость калибровочных коэффициентов а и в от выхода
летучих веществ
Дисперсия и стандартное отклонение калибровочных коэффициентов а и ¡5 для структурного физико-химического
инварианта ц*
Статистическая а 5
характеристика
Выборочное среднее 17,36 1,30
Дисперсия 0,86 0,66
Стандартное отклонение 0,93 0,81
Мировая практика [7, 12, 26] показывает, что современные технологии дегазации продуктивных пластов недостаточно безопасны для эффективной отработки угольных месторождений. Это вызывает необходимость развития качественно новых подходов к решению данной проблемы. Современное состояние научных исследований и разработок в направлении развития экспериментально-теоретических основ для количественного описания взаимодействия нелинейных геомеханических и физико-химических процессов в многофазных напряжённых угленосных массивах горных пород при нарушении их исходного напряженно -деформированного состояния и, соответственно, термодинамических условий при отработке угольных месторождений полезных ископаемых в России и за рубежом достаточно подробно и основательно представлены в проблемно постановочных статьях [15, 25].
Лидирующие позиции в данном направлении исследований и разработок занимают ученые из России, Китая и США [26, 27] - стран крупномасштабного недропользования в мире с большими запасами разнома-рочного угля, углеводородного сырья, в т.ч. и горючих сланцев. Как отмечено здесь, во всех регионах мира происходит достаточно быстрый переход к освоению месторождений полезных ископаемых углеводородного сырья на более глубокие горизонты. Поэтому особую актуальность приобретает разработка основ общей теории взаимодействия нелинейных геомеханических и физико-химических процессов в многофазных геосредах при нарушении их равновесного состояния, в т.ч. для угленосных массивов горных пород. Велика в этом роль аналитического аппарата для количественного описания их комплексного взаимодействия, учитывающего реальные феноменологические связи между такими процессами в натурных условиях отработки угольных месторождений с позиций «сценарного» прогнозирования катастрофических проявлений горного давления, а также необходимости учета структурного и температурного факторов влияния изменений их с глубиной от поверхности Земли. Это очевидно необходимо и для создания новых энергоэффективных, геомеханико-геодинамически и геоэкологически безопасных геотехнологий отработки продуктивных уг-
леносных пластов в сложных горно-геологических и природно-климатических условиях общего недропользования Сибири.
Таким образом, решение сформулированной в названии настоящей статьи проблемы связано с изучением и установлением новых феноменологических связей и соответствующих им механизмов, позволяющих на их основе создавать аналитический аппарат для корректного количественного описания (на основании необходимой априорной информации) взаимодействия нелинейных геомеханических и физико-химических массо-газообменных процессов в многофазных углепородных массивах, вмещающих отрабатываемые продуктивные пласты. Это составляет также и методическую основу для принятия важных решений как в построении специализированного вида мониторинговых систем, так и выделения необходимых для этого «критериальных показателей» экологичности и энергоэффективности геотехнологических решений. На такой базе возможно было бы осуществлять комплексную оценку геомеханического и геоэкологического состояний контролируемых объектов и/или геосистем крупномасштабного недропользования в целом с позиции ожидаемого их перехода в новые «фазовые состояния», в том числе и катастрофического вида (внезапные выбросы угля и газа, подземные пожары и т.п.).
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-17-00148, https://rscf.ru/project/23-17-00148/.
Список литературы
1. Геомеханические процессы взаимодействия породных и закладочных массивов при отработке пластовых рудных залежей / М.В. Курле-ня, В.Н. Опарин, А.П. Тапсиев, В.В. Аршавский. Новосибирск: Наука, 1997. 175 с.
2. Курленя М.В., Опарин В.Н. Скважинные геофизические методы диагностики и контроля напряженно-деформированного состояния массивов горных пород. Новосибирск: Наука, 1999. 335с.
3. Мировой опыт автоматизации горных работ на подземных рудниках / В.Н. Опарин [и др.]. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. 99 с.
4. Методы и измерительные приборы для моделирования и натурных исследований нелинейных деформационно-волновых процессов в блочных массивах горных пород / В.Н. Опарин [и др.]. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. 320 с.
5. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок / В.Н. Опарин [и др.]. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. 278 с.
6. Современная геодинамика массива горных пород верхней части литосферы: истоки, параметры, воздействие на объекты недропользования / В.Н. Опарин [и др.]. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. 449 с.
7. Aerodinamic modes of operator ventilation sistems of preparatory workings / N.M. Kachurin, G.V. Stas, A.N. Kachurin, V.P. Stas // Jzvestiya Tula state University. Earth sciences. 2018. № 3. Р. 197 - 209.
8. Kachurin N.M., Ermakov A. Yu., Senkus V.V. Theoretical substautia-tion of the phenomenological law of resistance during gas filtration in a mountain range // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2018. № 7. Р. 61 - 68.
9. The stress-strain state of the mountain massif and suppore during the construction of undergrounl structures / N.M. Kachurin, E.J. Zakharov, D.A. Soloviev, R.A. Soloviev // Jzvestiya Tula State University. Earth sciences. 2022. № 1. Р. 355 - 362.
10. Опарин В. Н., Танайно А. С. Каноническая шкала иерархических представлений в горном породоведении. Новосибирск: Наука, 2011. 264 с.
11. Деструкция земной коры и процессы самоорганизации в областях сильного техногенного воздействия / В.Н. Опарин [и др.]. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. 632 с.
12. Геомеханические поля и процессы: экспериментально -аналитические исследования формирования и развития очаговых зон катастрофических событий в горнотехнических и природных системах / В.Н. Опарин [и др.]. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2018. Т. 1. 549 с.; 2019. Т. 2. 546 с. DOI 10.15372/GEOMECHANICAL 2019 OVN.
13. Новые методы и информационные технологии в экспериментальной геомеханике / В.Н. Опарин, Т.А. Киряева, В.П. Потапов, В.Ф. Юшкин. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2021. 292 с. DOI 10.53954/9785604642856.
14. Oparin V.N. Theoretical fundamentals to describe interaction of ge-omechanical and physicochemical processes in coal seams// Journal of Mining Science. 2017. Vol. 53. № 2. Р. 201 - 215.
15. Опарин В. Н., Симонов В.Ф. О нелинейных деформационно-волновых процессах в виброволновых технологиях освоения нефтегазовых месторождений // ФШРПИ. 2010. № 2. Р. 3 - 25.
16. Oparin V.N. Pendulum waves and basics of «geomechanical thermodynamics» // Geohazard Mechanics. 2022. № 1. Р. 38 - 52.
17. Киряева Т. А. Разработка методов энергетического анализа и прогнозирования газодинамической активности углеметановых пластов Кузбасса. Riga, Latvia: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2019. 332 р.
18. Adushkin V. V., Oparin V. N. From the Alternating-Sign Explosion Response of Rocks to the Pendulum Waves in Stressed Media // J. Min. Sci., P. I: 2012. Vol. 48. No. 2. Р. 203-222; P. II: 2013. Vol. 49. No. 2. Р. 175-209; P. III: 2014. Vol. 50. No. 4. Р. 623-645; P. IV: 2016. Vol. 52. No. 1. Р. 1-35.
19. Effect of pendulum waves from earthquakes on gas-dynamic behavior of coal seams in Kuzbass / V. N. Oparin [and others] // Journal of Mining Science. 2018. Vol. 54. No 1. Р. 3 - 14.
20. Региональная кластеризация угольных месторождений Кузбасса по газодинамической активности / В. Н. Опарин, В. В. Адушкин, Т. А. Ки-ряева, В. П. Потапов // Горный информационно-аналитический бюллетень: Ч. I. 2018. № 9. С. 5-24. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-9-0-5-24; Ч. II. 2018. № 10. С. 5-29. DOI: 10.25018/02361493-2018-10-0-5-29.
21. Стратиграфическое распределение ресурсов угля и метана в Кузбассе на 01.01.2010 г.: свид. 2018620032 на БД РФ; зарегистр. 09.01.2018 г.
22. Каталог метаноносности углей Кузбасса: свид. № 2018620035 на БД РФ; зарегистр. 09.01.2018 г.
23. Каталог внезапных выбросов угля и газа в Кузбассе: свид. № 2018620036 на БД; зарегистр. 09.01.2018 г.
24. Каталог метаноемкости углей Кузбасса: свид. № 2018620264 на БД РФ; зарегистр. 13.02.2018 г.
25. Oparin V.N., Kiryaeva T.A. Operator of Connection Between the Langmuir Equation and Oparin's Kinematic Equation for Pendulum-Type Waves. Part I. In: Solovev D.B., Savaley V.V., Bekker A.T., Petukhov V.I. (eds). Proceeding of the International Science and Technology Conference "FarEas^on 2021". Smart Innovation, Systems and Technologies. 2022. Vol. 275. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-16-8829-4 1.
26. Regularities of two-phase gas flow under coal and gas outbursts in mines / A. T. Zhou, K. Wang, T. A. Kiryaeva, V. N. Oparin // Journal of Mining Science. 2017. Vol. 53. No 3. P. 533 - 543.
Опарин Виктор Николаевич, член-корр. РАН, д-р физ.-мат. наук, проф., зав. отделом, oparin@,misd. ru, Россия, Новосибирск, Институт горного дела им. Н.А. Чи-накала Сибирского отделения Российской академии наук,
Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology_tsu_tula@mail.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Киряева Татьяна Анатольевна, д-р техн. наук, ст. науч. сотр. ИГД СО РАН, coalmetan@mail.ru, Россия, Новосибирск, Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук,
Потапов Вадим Петрович, д-р техн. наук, гл. науч. сотр. ФИЦ ИВТ, vadimptpv@gmail.com, Россия, Кемерово, Федеральный исследовательский центр информационных и вычислительных технологий
ON THE PROBLEM OF DEVELOPING THE EXPERIMENTAL AND ANALYTICAL FOUNDATIONS OF THE THEORY OF INTERACTION
OF GEOMECHANICAL AND PHYSICAL AND CHEMICAL PROCESSES
DURING THE MINING OF COAL DEPOSITS V.N. Oparin., N.M. Kachurin, T.A. Kiryaeva, V.P.Potapov
The article is devoted to the problem of safe subsoil use of the Earth in the increasingly complex mining-geological and natural-climatic conditions, the increase in the depth and scale of the developed mineral deposits of various types and phase state. It is shown that in our country such achievements in the direction of fundamental and applied research and development are related to establishing general formation mechanisms and evolution features of focal zones of increased stress concentration and destruction rock masses and geomateri-als with block-hierarchical and multiphased structure; these geomaterials have properties of open self-arranging geosystems in tectonic field of stress and strain. Based on modern achievements of non-linear geomechanics and geophysics, cloud information technologies of BigData, the new (energetic) methodological approach and corresponding methods have been justified, as well as technical (measuring) means and software complexes for formation multilayered geoinformation monitoring system for diagnostics control and prediction of industrial and ecological safety at strategically important mining areas in Siberia, which has been approved in field conditions (Kuzbass, Norilsk and Novosibirsk Region).
Key words: Experimental and theoretical investigations, physics and geomechanics of rock destruction focal zones, fire and vibration hazard, emission events, comprehensive geoinformation monitoring system, diagnostics, prediction, preventive maintenance, safety, stress-strain state, basics of the interaction theory between geomechanical and physico-chemical processes, Kuzbass coal deposits.
Oparin Victor Nikolaevich, corresponding member ras, doctor of physics and mathematics sci., professor, head of the department, oparin@,misd.ru, Russia, Novosibirsk, China-kal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences,
Kachurin Nikolai Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, ecology_tsu_tula@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kiryaeva Tatyana Anatolyevna, doctor of technical sciences, senior researcher, coalmetan@,mail.ru, Russia, Novosibirsk, Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences,
Potapov Vadim Petrovich, doctor of technical sciences, chief researcher, FRC ICT, vadimptpv@,gmail.com, Russia, Kemerovo, Federal Research Center for Information and Computational Technologies
Reference
1. Geomechanical processes of interaction of rock and sedimentary massifs during mining of stratified ore deposits / M.V. Kurlenya, V.N. Oparin, A.P. Tapsiev, V.V. Arshav-sky. Novosibirsk: Nauka. Sib. Enterprise of the Russian Academy of Sciences, 1997. 175 p.
2. Kurlenya M.V., Oparin V.N. Borehole geophysical methods of diagnostics and control of the stress-strain state of rock massifs. Novosibirsk: Nauka. Sib. Enterprise of the Russian Academy of Sciences, 1999. 335s.
3. World experience in automation of mining operations on underground ores / V.N. Oparin [et al.]. Novosibirsk: Publishing House of the SB RAS, 2007. 99 p.
4. Methods and measuring instruments for modeling and field studies of nonlinear deformation-wave processes in block rock massifs / V.N. Oparin [et al.]. Novosibirsk: Publishing House of SB RAS, 2007. 320 p.
5. Zonal disintegration of rocks and stability of underground workings / V.N. Oparin [et al.]. Novosibirsk: Publishing House of SB RAS, 2008. 278 p.
6. Modern geodynamics of the rock mass of the upper part of the lithosphere: origins, parameters, impact on subsurface use objects / V.N. Oparin [et al.]. Novosibirsk: Publishing House of SB RAS, 2008. 449 p.
7. Aerodinamic modes of operator ventilation sistems of preparatory workings / N.M. Kachurin, G.V. Stas, A.N. Kachurin, V.P. Stas // Jzvestiya Tula state University. Earth sciences. 2018. No. 3. p. 197 - 209.
8. Kachurin N.M., Ermakov A. Yu., Senkus V.V. Theoretical substantiation of the phenomenological law of resistance during gas filtration in a mountain range // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2018. No. 7. p. 61-68.
9. The stress-strain state of the mountain massif and suppore during the construction of undergrounl structures / N.M. Kachurin, E.J. Zakharov, D.A. Soloviev, R.A. Soloviev // Jzvestiya Tula state University. Earth sciences. 2022. No. 1. p. 355-362.
10. Oparin V. N., Tanaino A. S. Canonical scale of hierarchical representations in rock science. Novosibirsk: Nauka, 2011. 264 p.
11. Destruction of the Earth's crust and self-organization processes in the areas of strong technogenic impact / V.N. Oparin [et al.]. Novosibirsk: Publishing House of SB RAS, 2012. 632 p.
12. Geomechanical fields and processes: experimental and analytical studies of the formation and development of focal zones of catastrophic events in mining and natural systems / V.N. Oparin [et al.]. Novosibirsk: Publishing House of SB RAS, 2018. Vol. 1. 549 p.; 2019. Vol. 2. 546 p. DOI 10.15372/GEOMECHANICAL 2019 OVN.
13. New methods and information technologies in experimental geomechanics / V.N. Oparin, T.A. Kiryaeva, V.P. Potapov, V.F. Yushkin. Novosibirsk: Publishing House of SB RAS, 2021. 292 p. DOI 10.53954/9785604642856.
14. Oparin V.N. Theoretical fundamentals to describe interaction of ge-omechanical and physicochemical processes in coal seams// Journal of Mining Science. 2017. Vol. 53. No. 2. P. 201 - 215.
15. Oparin V. N., Simonov V.F. On nonlinear deformation-wave processes in vibro-wave technologies for the development of oil and gas fields // FTPRPI. 2010. No. 2. p. 3 - 25.
16. Oparin V.N. Pendulum waves and basics of "geomechanical thermodynamics" // Geohazard Mechanics. 2022. No. 1. p. 38 - 52.
17. Kiryaeva T. A. Development of methods of energy analysis and forecasting of gas-dynamic activity of coal-methane formations of Kuzbass. Riga, Latvia: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2019. 332 p.
18. Adushkin V. V., Oparin V. N. From the Alternating-Sign Explosion Response of Rocks to the Pendulum Waves in Stressed Media // J. Min. Sci., P. I: 2012. Vol. 48. No. 2. pp. 203-222; P. II: 2013. Vol. 49. No. 2. pp. 175-209; P. III: 2014. Vol. 50. No. 4. pp. 623-645; P. IV: 2016. Vol. 52. No. 1. pp. 1-35.
19. Effect of pendulum waves from earthquakes on gas-dynamic behavior of coal seams in Kuzbass / V. N. Oparin [and others] // Journal of Mining Science. 2018. Vol. 54. No. 1. P. 3 - 14.
20. Regional clustering of Kuzbass coal deposits by gas dynamic activity / V. N. Oparin, V. V. Adushkin, T. A. Kiryaeva, V. P. Potapov // Mining Information and Analytical Bulletin: Part I. 2018. No. 9. pp. 5-24. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-9-0-5-24; Part II. 2018. No. 10. pp. 5-29. DOI: 10.25018/02361493-2018-10-0-5-29.
21. Stratigraphic distribution of coal and methane resources in Kuzbass on 01.01.2010: svid. 2018620032 on the database of the Russian Federation; registered. 09.01.2018
22. Catalog of methane content of Kuzbass coals: svid. No. 2018620035 on the Database of the Russian Federation; registered. 09.01.2018
23. Catalog of sudden emissions of coal and gas in Kuzbass: svid. No. 2018620036 on the database; registered. 09.01.2018
24. Catalog of methane capacity of Kuzbass coals: svid. No. 2018620264 on the Database of the Russian Federation; registered. 13.02.2018
25. Oparin V.N., Kiryaeva T.A. Operator of Connection Between the Langmuir Equation and Oparin's Kinematic Equation for Pendulum-Type Waves. Part I. In: Solovev D.B., Savaley V.V., Bekker A.T., Petukhov V.I. (eds). Proceeding of the International Science and Technology Conference "FarEastCon 2021". Smart Innovation, Systems and Technologies. 2022. Vol. 275. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-16-8829-4_1.
26. Regularities of two-phase gas flow under coal and gas outbursts in mines / A. T. Zhou, K. Wang, T. A. Kiryaeva, V. N. Oparin // Journal of Min-ing Science. 2017. Vol. 53. No 3. Pp. 533 - 543.
УДК 556.3:550.348
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ
И ГАЗООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДНОГО РЯДА
В.Н. Опарин, Т. А. Киряева, А.Н. Качурин, В.Ф. Юшкин
В канонической шкале иерархических представлений В.Н. Опарина впервые введен и успешно верифицирован А.С. Танайно обобщенный показатель количественного описания петрографических свойств углей, с использованием которого дана классификация и описано распределение петрографических групп угольных пластов районов Кузбасса. Это имеет важное значение не только для картирования участков шахтных полей при выделении потенциально опасных зон по выбросам угля, пород и газа, но и для геотехнологического зонирования по важнейшим физико-химическим свойствам продуктивных свойств разрабатываемых породных массивах.
Ключевые слова: геомеханические и газообменные процессы, метан, угольный пласт, метаноносность, изотерма сорбции метана, выход летучих веществ, волны маятникового типа.
В основу выполненного комплекса исследований была положена методика проверки гипотезы В.Н. Опарина о «геокрекинговом» механизме возникновения месторождений углеводородного ряда.
Идея работы заключалась в том, что энергетические изменения состояния угольного вещества в выбросоопасных угольных пластах проявляется как для широкого диапазона глубин их залегания (а значит, и горного давления), так и марочного состава углей (а значит, и степени их метамор-
