CC BY
3УДК 550.8.013
Е. Д. Ходырев
ОЦЕНКА ИНТЕГРАЛЬНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА ОТРАБОТАННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Выполнена оценка интегральной проницаемости выработанного пространства отработанных угольных пластов, которое включает различные типы зон фильтрационных неоднородностей, образуемых различного рода целиками, полностью или частично погашенными подготовительными выработками и отработанными участками пласта.
Ключевые слова: подземная гидродинамика, фильтрационные свойства, проницаемость, выработанное пространство, целики угля, подземные выработки.
Введение. При гидрогеологическом прогнозе последствий затопления закрывающихся угольных предприятий ключевой задачей является оценка фильтрационных свойств нарушенного горными работами углепородного комплекса. Процесс затопления шахт происходит в плоскости отработанных угольных пластов, поэтому вопрос об оценке проницаемости выработанного пространства весьма актуален. При оценке проницаемости выработанного пространства приходится иметь дело со средой, имеющей выраженный неоднородный фильтрационный характер. Эти неоднородности связаны с неоднородностью НДС подработанного горного массива. Одной из таких ярких неоднородностей являются зоны влияния различного рода целиков угля, оставленных в выработанном пространстве отработанных пластов затапливаемых шахт. Влияние таких целиков на фильтрационные процессы зачастую имеют решающее значение. Это влияние может выражаться как в полной изоляции отдельных участков массива от затопления, так и может проявляться в виде зон, не оказываю-
щих никакого влияния на процессы затопления. Другой из таких выраженных неоднородностей можно считать наличие в выработанном пространстве погашенных или заброшенных подготовительных горных выработок, которые так же оказывают существенное влияние на процессы затопления шахт. Масштаб области фильтрации при изучении техногенных гидродинамических процессов при закрытии угольных предприятий определяется десятками квадратных километров. Это предопределяют масштабы дискретизации расчетной схемы. В нашем случае отдельное шахтное поле может быть представлено в расчетной схеме лишь несколькими расчетными элементами. Таким образом в пределах одного элемента аппроксимации зачастую просматриваются все признаки макронеоднородной среды. В этом случае вопрос определения эффективных параметров расчетного элемента (выработанного пространства) становится самостоятельной и довольно сложной задачей.
Теория и методы исследований. В [1] предложены универсальные определяющие соотношения, связывающие проницаемость горных пород со структурными особенностями их порово-го пространства и особенностями их напряженно деформированного состояния (НДС) пород. Эти соотношения, являются дальнейшим обобщением результатов Е. С. Ромма на случай среды с произвольным распределением систем трещин и возможностью деформирования пород за пределом их прочности. В [2] - [3] рассмотрен метод решения задач по оценке изменений НДС и соответствующих изменений проницаемости горных пород в процессе их подработки, когда решающее значение приобретают необратимые деформации.
Результаты исследований. Ранее выполненные исследования [4] показали, что этот механизм позволяет с помощью теоретических построений оценить проницаемость сложных композитных участков, в том числе и непосредственно выработанного пространства пласта, и зон водопроводящих трещина (ЗВТ), а также проницаемость участков с повышенными градиентами фильтрационных неоднородностей. Однако, точность таких построений в некоторых случаях может требовать дополнительных обоснований. Это касается случаев, когда в выработанном про-
странстве находятся ликвидированные или заброшенные подготовительные горные выработки, состояние которых неизвестно. Как правило, выполнение каких-либо опытно фильтрационных работ на закрывающихся шахтах невозможно, поэтому вопросы о калибровке модели фильтрации в данном случае остаются открытыми. Такие случаи не редкое исключение, поэтому даже, косвенные оценки параметров по результатам натурных наблюдений или справочная информация иногда имеют решающее значение. Другими словами, общие принципы построения математических моделей среды с помощью эффективных параметров должны иметь некоторые обоснованные доверительные граници. Для этого необходимо иметь, хотя бы понимание возможностей интегральной оценки проницаемости макронеоднородных участков. Такое понимание диапазона интегральных оценок может быть получено только по результатам натурных наблюдений [5]. При этом в процессе наблюдений за режимом затопления закрывающихся шахт, как правило, критически не хватает гидрогеологической информации для правильной интерпретации получаемых результатов. Поэтому отдельные редкие случаи, позволяющие обоснованно интерпретировать особенности техногенного режима подземных вод при его инверсии должны рассматриваться как основные источники калибровочных установок математической модели фильтрации [6]. Оценки параметров потока, сделанные в пределах разброса одного или двух порядков в данном случае могут считаться удовлетворительным [7]-[8], т.к. разброс изменений значений проницаемости при деформировании пород за пределом прочности даже в лабораторных (чистых) условиях достигают несколько порядков.
Как правило, возможность выполнение натурных наблюдений, с интерпретацией их результатов даже по косвенным признакам, является весьма редкими случаем. Обычно, при неконтролируемом затоплении закрывающихся шахт известен лишь уровень затопления, а ряд других параметров режима остается неизвестным. Это не позволяет определить ни интегральную проницаемость выработанного пространства, ни градиенты давлений и т.д. Однако, в виде исключения, в основном из-за редкого стечения обстоятельств, горнотехническая ситуация иногда
позволяет практически с математической точностью осуществить оценку некоторых критических гидрогеологических параметров среды. Такая редкая горнотехническая ситуация сложилась при затоплении выработанного пространства ранее закрытой шахты «Бутовская». Уникальность этой ситуации определяется наличием гидравлической связи с действующей соседней шахтой им. А. Ф. Засядько. Для этих условий есть возможность наблюдений за совместными изменениями уровня затопления горных выработок шахты «Бутовская» и изменениями водопритока на шахту им. А. Ф. Засядько. Результаты таких наблюдений могут быть использованы для оценки интегральной проницаемости выработанного пространства шахты «Бутовская», которое включает в себя все признаки макронеоднородной среды: наличие нормативных и ненормативных целиков угля, погашенных и непогашенных подготовительных и капитальных выработок и зон полного сдвижения.
В рассматриваемой горнотехнической ситуации вода поступает из затапливаемого пространства шахты «Бутовская» через стволы ГП «Шахта имени А. Ф. Засядько» в воздухоподающий ВВПС № 2 и вентиляционный ВВС № 3, которые пройдены около 20 лет назад сквозь отработанное пространство пласта п1 без выполнения мероприятий по гидроизоляции (см. рис.1). Достаточное количество дополнительной гидрогеологической информации (площадь исследуемого участка, известный дебит ширина потока и т.д.) позволяет в данном случае говорить о высокой степени надежности интерпретации полученных результатов.
На рисунках 2-3 показаны результаты других выполненных натурных наблюдений.
Аналогичный график получен и по стволу ВВС № 3 шахты им. А. Ф. Засядько, при этом суммарный водоприток в два ствола составил 80 м /час.
Рис. 2 - График скорости поднятия уровня затопления в стволе шахты "Бутовская"
50,0 45,0 40,0 35,0 Л 30,0 i ® 25,0 t* 1 1? А J г к / А # МГ 1
& С о §20,0 m 15,0 10,0 5,0 0,0 г " £ й еч V ? 4 t Q о сч сч сч С-) гч
Рис. 3 - График роста водопритока в ствол ВВПС № 2 шахты
им. А. Ф. Засядько
Характер данных (см. рис.2 - рис.3) свидетельствует о том, что с течением времени техногенный режим подземных вод стабилизируется и асимптотически приближается к квазистационарному режиму. Следует также отметить, что течение при затоплении горных выработок пластов имеет плоскопараллельный характер, а при затоплении стволов - радиальный [9]. Вследствие этого, за счет искривлений линий тока возникает неравенство фильтрационных сопротивлений двух типов потоков. Для компенсации возникающего неравенства в центральных точках радиального потока (стволах) требуется изменение граничных условий в сторону увеличения фильтрационных сопротивлений для радиального потока на величину [10]:
1 ( 1 1
R ln
2namK f
rS
где Я - дополниетльное сопротивление, подключаемое к узлам расчетной сетки, соответствующим местоположениям скважин (стволов), которое компенсирует неравенство фильтрационных сопротивлений радиального и плоскопараллельного потоков в пределах расчетного блока; ¡- вязкость воды, па*сек; т - мощность пласта, м; г$ - радиус скважины м;
ЛХ8 - средний размер блока, прилегающего к скважине, м; К- средняя проницаемость блока; а- масштабирующий множитель.
Таким образом, вокруг стволов образуется так называемая «скин» зона, имеющая повышенное сопротивление. Поэтому, в стволах расчетное давление не равно нулю, а равно некоторой фиксированной величине (х), которое может быть вычислено, исходя из закона неразрывности потока. В нашем случае этот закон имеет вид:
и-х X
Г г г2
(2)
где Г], г2 - сопротивление плоскопараллельного и р адиаль-ного потока;
и - нормированное напряжение, изменяющееся в диапазоне от 0 до1;
Вводя масштабирующие множители аи=и, аГ=г2 получаем выражение для безразмерной величины х/ аи:
- = —-—. (3)
аи (1+Г1/Г2) 4 7
С учетом (1), получаем х=]/2. Зная величину х, нетрудно, исходя из закона Дарси, определить проницаемость на участке плоскопараллельного течения:
Кг= V* ц/РН, (4)
где V - скорость фильтрации, м/сек.
Подставляя известные значения расходов, вязкости, площади фильтрации и градиента давлений, полученные в ходе натурных наблюдений, получаем, что средняя интегральная проницаемость (К/) выделенного участка выработанного пространства ш. «Бутовская» не превышает 10д. Это очень высокая проницаемость, т.е. интегральные значения проводимости выработанного пространства, включающего непогашенные горные подготовительные и капитальные выработки, целики и краевые части пластов, примерно на пять порядков выше проводимости горных пород в нетронутом состоянии.
Эта величина проницаемости может считаться ориентировочной оценкой проницаемости для случаев, когда более точные исходные гидрогеологические данные о состоянии объекта отсутствуют.
Заключение. Полученные результаты натурных наблюдений позволили сделать ориентировочную среднюю оценку проницаемости существенно неоднородной среды - выработанных пространств закрытых шахт. При отсутствии информации о состоянии ликвидированных или заброшенных подготовительных выработок в выработанном пространстве эта оценка может служить в качестве калибровочной установи при построении различных гидрогеомеханических моделей, так как рассмотренная горнотехническая ситуация является довольно типичной для многих угольных предприятий. Установлено, что порядок проницаемости выработанного пространства угольных пластов нахо-
дится в пределах до 10д, что существенно превосходит проницаемость самых продуктивных промышленных газо - и нефтеносных месторождений.
Благодарность. Автор выражает глубокую признательность ведущему научному сотруднику, кандидату технических наук.
Колдунову И. А.| за существенный вклад в получении уникальных результатов натурных наблюдений, позволивших сделать определенные шаги в области изучения свойств нарушенного горными работами массива.
Исследования проведены в рамках выполнения фундаментальной научно-исследовательской работы FRSR - 2023 - 0006 "Исследование устойчивости и трансформации напряженно-деформированного состояния обводненных массивов горных пород".
ЛИТЕРАТУРА
1. Справочное пособие «Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов». Под ред. Петухова И. М. - М.: Недра, 1992. - 256 с.
2. Кулибаба, С. Б. Основные положения методики расчета вертикальных сдвижений и деформаций подрабатываемого горного массива // «Маркшейдерия и Недропользование». - М., 2019 - № 5. - С. 42-45.
3. Кулибаба, С. Б. Оценка свойств техногенных коллекторов метана с учетом главных составляющих деформаций горного массива в зоне полных сдвижений / С. Б. Кулибаба, Е. Д. Ходырев // Науковi пращ УкрНДМ1 НАН Украши: зб. наук. пр. - Донецк, 2013. - № 13 (1). - С. 218-229.
4. Ходырев, Е. Д. Особенности изучения процессов подземной гидродинамики при закрытии угольных предприятий / Е. Д. Ходырев, В. В. Трофимов, М. В. Гордиенко // ТРУДЫ РАНИМИ: сб. научн. трудов. - Донецк, 2020. - № 10-11 (25-26). -С. 55-63.
5. Норватов, Ю. А. Изучение и прогноз техногенного режима подземных вод. - Л.: «Недра», 1988. - 260 с.
6. Шевелев, Ю. Д. Примеры установившихся осесиммет-ричных течений идеальной несжимаемой жидкости // Изв. РАН. МЖГ. 2022. - № 2. - С. 3-13.
7. Красильников, П. А. Геоинформационный подход к оценке и прогнзу изменений инженерно-геологических условий на подработанных территориях / П. А. Красильников, Ю. А. Мещерякова, А. В. Татаркин // Инженерная геология. - М. - Т. 16, № 4. - 2021. - С. 48-60.
8. Ходырев, Е. Д. Оценка интенсивности процессов массо-переноса в зонах существенных фильтрационных неоднородно-стей Е. Д. Ходырев, В. В. Трофимов // ТРУДЫ РАНИМИ: сб. научн. трудов. - Донецк, 2023. - №22-23. - С. 22-32.
9. Лукнер, Л. Моделирование геофильтрации / Л. Лукнер, В. М. Шестаков. - М.: Недра,1976. - 404 с.
10.Жернов, И. Е. Моделирование фильтрации подземных вод. / И. Е. Жернов, В. М. Шестаков. - Изд.-во «Наука», 1966. -223 с.
Ходырев Евгений Дмитриевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела гидрогеомеханических исследований и охраны недр, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
ASSESSMENT OF THE INTEGRAL PERMEABILITY OF THE WORKED-OUT SPACE OF SPENT COAL SEAMS
An assessment of the integral permeability of the worked-out space of spent coal seams has been performed, which includes various types of zones of filtration heterogeneities zones formed by various types of pillars, fully or partially extinguished preparatory workings and spent sections of the formation.
Keywords: underground hydrodynamics, filtration properties, permeability, developed space, coal deposits, underground workings.
Khodyrev Evgeny Dmitrievich, Ph. D. in Engineering Sciences, Senior Researcher, Leading Researcher of Hydrogeomechanical Survey and Protection of Subsurface Resources Department, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
