CC BY
17
Оригинальная статья
УДК 622.272.633 © С.Б. Алиев, Р.Р. Ходжаев, Т.К. Исабек, В.Ф. Демин, А.Ж. Шонтаев, 2020
Оценка эффективности бурения опережающих скважин в области повышенных напряжений массива на газопроявление из угольного пласта
— DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-11-10-12 -
АЛИЕВ С.Б.
Доктор техн. наук, профессор, академик НАН РК, старший научный сотрудник ИПКОН РАН, 111020, г. Москва, Россия, e-mail: alsamat@gmail.com
ХОДЖАЕВ Р.Р.
Доктор техн. наук,
профессор кафедры
«Разработка месторождений
полезных ископаемых» КарТУ,
100027, г. Караганда, Республика Казахстан,
e-mail: director@nicgeomark.kz
ИСАБЕК Т.К.
Доктор техн. наук,
профессор кафедры
«Разработка месторождений
полезных ископаемых» КарТУ,
100027, г. Караганда, Республика Казахстан,
e-mail: tyiak@mail.ru
ДЕМИН В.Ф.
Доктор техн. наук,
профессор кафедры
«Разработка месторождений
полезных ископаемых» КарТУ,
100027, г. Караганда, Республика Казахстан,
e-mail: vladfdemin@mail.ru
ШОНТАЕВ А.Ж.
Магистр, преподаватель кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» КарТУ, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, e-mail: shon_oskar@mail.ru
В статье исследовано распределение полей напряжений в угольном пласте впереди забоя подготовительной выработки, проведено численное моделирование НДС приконтурного массива для определения зон формирования повышенных напряжений и нарушения сплошности массива с целью увеличения метановыделения после бурения опережающих скважин в заранее установленные ненарушенные области и снижения возможности проявления внезапного выброса угля и газа. Ключевые слова: бурение опережающих скважин, внезапные выбросы угля и газа, поля напряжений, численное моделирование, напряженно-деформированное состояние, горный массив, проведение горных выработок.
Для цитирования: Оценка эффективности бурения опережающих скважин в области повышенных напряжений массива на газопроявление из угольного пласта / С.Б. Алиев, Р.Р. Ходжаев, Т.К. Исабек и др. // Уголь. 2020. № 11. С. 10-12. 001: 10.18796/0041-5790-2020-11-10-12.
ВВЕДЕНИЕ
В нетронутом горном массиве формируется природное напряженно-деформированное состояние, компоненты которого определяются методом разгрузки [1]. Это состояние формируется под действием давления налегающей толщи пород и тектонических сил сдвижений отдельных геологических образований. В теоретической работе [2] отмечается, что характер поля напряжений при проведении в горном массиве выработки меняется от объемно-напряженного состояния, которое формируется в зоне впереди забоя, к плоско-деформированному при некоторой сложившейся протяженности выработки. В работе [3] установлено, что когда протяженность выработки достигает трехкратной характерной величины поперечного ее сечения, характер напряженно-деформированного состояния массива впереди забоя практически не зависит от длины. Авторы известной монографии [4] показывают и объясняют качественную картину изменения вертикальной компоненты напряженного состояния массива впереди забоя выработки.
БУРЕНИЕ ОПЕРЕЖАЮЩИХ СКВАЖИН
В ОБЛАСТИ ПОВЫШЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ МАССИВА
Необходимо более детально исследовать изменения различных по характеру напряжений в зависимости от расстояния вглубь массива и на этой основе определять напряженное состояние угольного массива в части изменения газоотдачи при бурении опережающих или разведочных скважин. С этой целью решается плоская задача определения деформаций массива, который рассматривается как упругая среда с определенными физико-механическими свойствами под действием внешних распределенных сил и внутренних массовых сил.
10
НОЯБРЬ, 2020, "УГОЛЬ"
Для исследования распределения напряжений впереди забоя выполнено численное моделирование напряженно-деформированного состояния массива методом конечных элементов посредством программы МАНАВ [5, 6, 7]. Для моделирования принята горная выработка прямоугольного сечения высотой 3,5 м, шириной 5 м, протяженностью 20 м (четырехкратная ширина), проводимая по угольному пласту. Расстояние от линии забоя вглубь массива принято 20 м для исследования поля напряжений вглубь более трехкратного размера выработки по ширине.
В таблице приведены численные величины напряжений, считанных со срединной части, кровли и почвы в массиве перед забоем выработки на различных расстояниях от линии забоя.
В целях более подробного исследования распределения различных по характеру напряжений моделированием получены их численные значения на расстоянии 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15 и 20 м от линии забоя подготовительной выработки вглубь массива впереди забоя.
Один из способов предупреждения внезапных выбросов угля и газа основан на создании условий снижения газового давления в угольном пласте на некотором расстоянии впереди забоя выработки. Для этого бурятся опережающие и газодренажные скважины из забоя выработки вглубь угольного массива [8, 9, 10, 11]. Цель этого процесса - разупрочнить массив для увеличения газоотдачи и, как следствие, уменьшить газовое давление и, в конечном итоге, предотвратить газодинамическое явление. Следовательно, необходимо до бурения скважин установить зоны нарушенности угольного массива, чтобы бурить скважины в те области массива впереди забоя, где сформировались высокие концентрации напряжений без нарушения сплошности (см. рисунок).
Известно [12], что причиной разрушения горного массива (породы и угля) является превышение совместно действующих в горном массиве напряжений над комплексными показателями сопротивляемости - пределами прочности на сжатие, растяжение, сдвиг. Поэтому, следуя исследованиям авторов [12, 13], формирование зон нарушения сплошности
угольного массива впереди забоя выработки определялось на основе третьей теории (гипотезы) прочности.
Для научного обоснования эффективности бурения скважин в напряженную ненарушенную область массива впереди забоя выработки на численной модели выполнены исследования деформации массива в различных условиях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенного исследования сделаны следующие выводы:
- принятая в работе численная модель метода конечных элементов позволяет исследовать напряженно-деформированное состояние приконтурного массива при проведении подготовительной выработки в угольном пласте для получения всех численных характеристик НДС;
- метод моделирования позволяет определить зоны формирования максимальных вертикальных давлений и область нарушения сплошности в массиве впереди забоя подготовительной выработки;
- бурение опережающих газодренажных скважин в ненарушенную зону концентраций напряжений позволяет создать поле повышенных касательных напряжений и деформаций в массиве, что в итоге приводит к увеличению газовыделения и снижению возможности газодинамического явления.
Изолинии главных относительных деформаций после бурения скважин Fig. Isolines of major relative deformations after borehole drilling
Численные значения напряжений в массиве по результатам моделирования
Расстояние от забоя вглубь массива, м Первые главные напряжения а1 , МПа Вторые главные напряжения ст2 , МПа Касательные напряжения t, МПа
Центр Кровля Центр Кровля Центр Кровля Почва
1 11,8 32 74 78 1,9 15 1,2
2 22 25 45 35 2,4 2,5 6
3 12,5 11 28 23 1,7 -6 13
4 4,1 2,5 17 18 1,0 -9 12
5 3,7 2 13 14 0,65 -7 9
10 0,65 0,95 12,8 12,5 -0,37 -1 1,4
15 0,6 0,53 11,8 12,5 -0,41 -0,3 -0,08
20 0,6 0,3 11,8 12,5 -0,07 -0,05 -0,4
Список литературы
1. Влох Н.П., Зубков А.В., Феклистов Ю.Г. Метод частичной разгрузки на большой базе. В кн.: Диагностика напряженного состояния породных массивов. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1980. С. 37-42.
2. Ходжаев Р.Р. Теоретические основы прогноза и предупреждения газодинамических явлений в угольных шахтах: дис____доктора техн. наук. Караганда, 2009. 297 с.
3. Механизм инициирования динамических явлений в подготовительных забоях / Ж.С. Ержанов, Ю.А. Векслер, Н.А. Жданкин и др. Алма-Ата: Наука, 1984. 224 с.
4. Иванов Б.М., Фейт Г.Н., Яновская М.Ф. Механические и физико-химические свойства углей выбросоопасных пластов. М.: Наука, 1979. 195 с.
5. MATLAB в инженерных и научных расчетах / А.Ф. Да-щенко, В.Х. Кириллов, Л.В. Коломиец и др. Одесса: Астро-принт, 2003. 214 с.
6. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.х (в 2-х томах). Т. 1. М.: Диалог МИФИ, 1999. 366 с.
7. Рындин Е.А., Лысенко И.Е. Решение задач математической физики в системе Ма^аЬ: учебное пособие. Таганрог: Издательство ТРТУ, 2005. 62 с.
8. Технологические схемы подготовки и отработки высокогазоносных, выбросоопасных и пожароопасных угольных пластов на шахтах УД АО «АМТ». Караганда, 2010.
9. Изучение факторов, влияющих на выбросоопасность угольного пласта Д6 / С.Б. Алиев, В.С. Портнов, Р.К. Атыгаев и др. // Уголь. 2020. № 6. С. 50-54. 001: 10.18796/0041-57902020-6-50-54.
10. Демин В.Ф., Алиев С.Б., Демина Т.В. Смещения контуров подготовительных выработок при геомеханических процессах // Уголь. 2013. № 4. С. 69-72.
11. Квон С.С., Роот Э.Г., Алиев С.Б. Методы нейтрализации сложных газодинамических процессов в Карагандинском бассейне // Уголь. 2003. № 2. С. 62-63.
12. Оловянный А.Г. Механика горных пород. Моделирование разрушений. СПб.: КОСТА, 2012. 280 с.
13. Христианович С.А. О волне дробления // Известия АН СССР. 1953. № 12. С. 1689-1699.
UNDERGROUND MINING
Original Paper
UDC 622.272.633 © S.B. Aliev, R.R. Hodzhaev, T.K. Isabek, V.F. Demin, A.Zh. Shontaev
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, № 11, pp. 10-12
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-11-10-12
Title
EFFICIENCY ASSESSMENT OF RELIEF HOLE DRILLING IN AREAS OF HIGH STRESSES TO RELEASE METHANE FROM COAL BEDS Authors
Aliev S.B.', Hodzhaev R.R.2, Isabek T.K.2, Demin V.F.2, Shontaev A.Zh.2
1 Research Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences (IPKON RAS), Moscow, 111020, Russian Federation
2 Karaganda Technical University, Karaganda, 100027, Republic of Kazakhstan
Authors' Information
Aliev S.B., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Academician of the National Academy of Sciences Republic of Kazakhstan, Senior Researcher, e-mail: alsamat@gmail.com
Hodzhaev R.R., Doctor of Engineering Sciences, Professor Professor at the Department of Mineral Deposit Development, e-mail: director@nicgeomark.kz Isabek T.K., Doctor of Engineering Sciences, Professor at the Department of Mineral Deposit Development, e-mail: tyiak@mail.ru Demin V.F., Doctor of Engineering Sciences, Professor at the Department of Mineral Deposit Development, e-mail: vladfdemin@mail.ru Shontaev A.Zh., master, teacher at the Department of Mineral Deposit Development, e-mail: shon_oskar@mail.ru
Abstract
The paper studies distribution of stress fields in the coal bed ahead of the developing entry and provides numerical modeling of the stressstrain state of the marginal rock formations in order to identify areas with higher stresses and discontinuities in the rock mass to enhance methane release upon completion of the relief holes in the predefined undisturbed areas and to reduce the possibility of unexpected coal and gas emissions.
Keywords
Drilling of relief holes, Unexpected coal and gas emissions, Stress fields, Numerical modelling, Stress-strain state, Rock mass, Mining excavations.
References
1. Vlokh N.P., Zubkov A.V. & Feklistov Yu.G. Partial relief method at large base. In: Diagnostics of the stress state of rock masses. Novosibirsk: Institute of Mining of the Siberian Branch of the Academy of Sciences of the USSR, 1980, pp. 37-42. (In Russ.).
2. Khodzhaev R.R. Theoretical bases of forecasting and prevention of gas dynamic events in coal mines: Dr. eng. sci. diss., Karaganda, 2009, p. 297. (In Russ.).
3. Yerzhanov J.S., Veksler Yu.A., Zhdankin N.A. et al. Initiation mechanism of dynamic events in development headings. Alma-Ata, Nauka Publ., 1984, 224 p. (In Russ.).
4. Ivanov B.M., Feyt G.N. & Yanovskaya M.F. Mechanical, physical and chemical properties of outburst-prone coal seams. Moscow, Nauka Publ., 1979, 195 p. (In Russ.).
5. Dashchenko A.F., Kirillov V.H., Kolomiets L.V. et al. MATLAB in Engineering and Scientific Calculations. Odessa, Astroprint Publ., 2003, 214 p. (In Russ.).
6. Potemkin V.G. Engineering and scientific computing environment MATLAB 5.x (in 2 volumes). Vol. 1, Moscow, Dialog MIFI Publ., 1999, 366 p. (In Russ.).
7. Ryndin E.A. & Lysenko I.E. Solving problems in mathematical physics using MatLab environment: Handbook. Taganrog, TRTU Publishing House, 2005, 62 p. (In Russ.).
8. Technological schemes for development and production from outburst-prone and fire hazardous coal seams and coal beds with high gas content at mines of AMT CD JSC, Karaganda, 2010. (In Russ.).
9. Aliev S.B., Portnov V.S., Atygaev R.K., Filimonov E.N. & Imanbaeva S.B. The study of factors affecting the outburst hazard of a coal seam D6. Ugol'- Russian Coal Journal, 2020, No. 6, pp. 50-54. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041 -5790-2020-6-50-54.
10. Demin V.F., Aliyev S.B. & Demina T.V. Displacement of development entry outlines due to geomechanical processes. Ugol' - Russian Coal Journal, 2013, No.4, pp. 69-72. (In Russ.).
11. Kwon S.S., Root E.G. & Aliev S.B. Neutralization methods for complex gas-dynamic processes in Karaganda basin. Ugol' - Russian Coal Journal, 2003, No. 2, pp. 62-63. (In Russ.).
12. Olovyanniy A.G. Rock mechanics. Failure Modeling. St. Petersburg, KOSTA Publ., 2012, 280 p. (In Russ.).
13. Khristianovich S.A. On crushing wave. Proceedings of the Academy of Sciences of the USSR, 1953, No.12, pp. 1689-1699. (In Russ.).
For citation
Aliev S.B., Hodzhaev R.R., Isabek T.K., Demin V.F. & Shontaev A.Zh. Efficiency assessment of relief hole drilling in areas of high stresses to release methane from coal beds. Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, No. 11, pp. 10-12. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2020-11-10-12.
Paper info
Received September 30,2020 Reviewed October 5,2020 Accepted October 9,2020
