CC BY
28
УДК 622.411.3; 622.831; 622.272
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕМ
Обоснована и показана перспектива применения методов математического моделирования геомеханических процессов как составной части геомеханического мониторинга горных выработок и горного массива их вмещающего, не усложняющей производство очистных, буровых и изыскательных работ, при этом повышающих достоверность получаемой информации шахтных экспериментов, что будет способствовать мониторингу аэрогазовой ситуации в шахте и более грамотной оценке газового баланса. Ключевые слова: моделирование НДС, напряженно-деформированное состояние, моделирование геомеханических процессов, мониторинг, мониторинг геомеханических процессов, газовыделение, метановыделение.
А.И. Маневич, В.А. Макаров, П.Н. Пащенков
ПЕРСПЕКТИВЫ
МАТЕМАТИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ
КАК СОСТАВНОЙ ЧАСТИ
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО
МОНИТОРИНГА НА ШАХТАХ
С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ
УПРАВЛЕНИЯ
При разработке угольных месторождений подземным способом при постоянном усложнении горно-геологических условий высокие нагрузки на очистные забои, оборудованные современной угледобывающий техникой, сопровождаются обильными выделениями метана как из разрабатываемых, так и сближенных угольных пластов, осложняя при этом использование высокопроизводительной очистной техники, поскольку газовый фактор лимитирует производительность очистных комбайнов [2].
Данный факт служит поводом для активной научно-исследовательской и проектной деятельности с целью разработки
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 6. С. 91-100. © 2017. А.И. Маневич, В.А. Макаров, П.Н. Пащенков.
различных проектов и технологий по дегазации и утилизации шахтного метана, реализации мероприятий по дегазации и разработки рекомендаций по дегазации разрабатываемых угольных пластов, сближенных пластов и выработанного пространства. Однако необходимо отметить, что на данный момент отсутствует систематический обмен и интерпретация данных геомеханического и аэрогазового контроля на шахтах, даже если оба вида мониторинга присутствуют. Тем не менее, научные предпосылки к этому существуют достаточно давно, а именно — признается, что существует взаимосвязь напряженно-деформированного состояния и проницаемости геологической среды. Также многие авторы проводили исследования, приводя конкретные аналитические или эмпирические зависимости. Другими исследователями была определена сильная корреляционная связь между повышенной интенсивностью напряжений и газодинамическими явлениями. Также известно, что очаги пониженных напряжений способствуют повышенному флюидопритоку к месту сброса механических напряжений [3].
Имея в виду установленную (пусть и в качественном виде) взаимосвязь напряжений в горном массиве с его проницаемостью (т.е. газовыделением), разумно ввести такую систему геомеханического мониторинга горных выработок и вмещающего их горного массива, которая не усложняла бы производство очистных, буровых и изыскательных работ, при этом повышала бы достоверность получаемой информации шахтных изысканий и экспериментов. В данном конкретном случае мы рассматриваем геомеханический мониторинг как обеспечение следующих процессов:
1. Прогноз метанообильности горных выработок и расчеты газового баланса шахты.
2. Оптимизация кустов дегазационных скважин (поверхностных и пластовых).
3. Выявление областей повышенных напряжений — потенциальных коллекторов газа.
Под предметом мониторинга геомеханических процессов в шахте можно понимать процессы, протекающие в массиве горных пород и связанные с формированием и перераспределением механических напряжений, проявлением деформаций и разрушением геоматериала.
Основой геомеханического мониторинга являются инструментальные методы контроля, которые так или иначе реализованы посредством проведения измерения какого-нибудь пара-
метра, его последующей обработки и определения его взаимосвязи с напряжениями в горном массиве.
Инструментальные методы контроля геомеханических процессов можно подразделить на три различные группы [5]:
К первой группе относятся методы, основанные на анализе горно-геологической и шахтной обстановки, а также на визуальном осмотре горных выработок, деформированных под действием горного давления. Как правило, такие методы способны дать лишь качественную оценку действующих напряжений и характеризуются малой трудоемкостью.
Ко второй группе можно отнести методы, основанные на непосредственном измерении деформационных процессов в локальной области массива. Такие методы являются весьма трудоемкими и зачастую требующими дополнительного лабораторного определения физико-механических свойств горных пород.
К третьей группе относятся геофизические методы, основанные на изучении взаимосвязи природы, структуры, пространственно-временной изменчивости естественных и искусственных физических полей в массиве горных пород с действующими в нем напряжениями. Такие методы позволяют производить контроль как ограниченных, так и сравнительно больших областей массива. Точность определения абсолютных значений действующих напряжений достаточно низка, в то же время они информативны при изучении динамики напряжений во времени и пространстве.
Кроме методов оценки напряженно-деформированного состояния горных пород, известных большей частью из горного дела, нужно отметить также геолого-геофизические методы и методы инженерной геофизики, применяемые для решения инженерных задач.
Использование геофизических методов дает возможность прогнозировать горно-геологические условия как при проходке горных выработок во впередизабойном пространстве, так и в целиках пород между ними [4]. С их помощью определяют или уточняют положение контактов между породами с различными петрофизическими свойствами, устанавливают расстояние от горных выработок до тектонических нарушений и трещиноватых зон, дают оценку возможных водопритоков в подземные сооружения, характеризуют изменение горного давления и термических условий по мере углубления в массив горных пород и решают многие другие жизненно важные для строителей и эксп-
луатационников вопросы. При этом используют специальные приемы электрометрии, сейсмоакустики, гравиметрии и некоторые другие методы, обобщаемые в понятии «подземная» или «шахтная» геофизика.
Основываясь на том, что нашей задачей является повышение достоверности информации о результатах шахтных экспериментов, без усложнения производства изыскательных работ и без дополнительных затрат финансовых и кадровых ресурсов — из инструментальных методов геомеханического мониторинга перспективны геологические виды, в виду их относительной простоты, нетребовательности к временным, финансовым и кадровым затратам. А также их возможности дать качественное описание напряженного состояния углепородного массива.
Для качественного анализа напряженно-деформированного состояния углепородного массива также успешно применяется математическое моделирование геомеханических процессов. На современном этапе развития горной промышленности математическое моделирование является неотъемлемой частью методов исследований геомеханических процессов [5, 6]. Методы математического моделирования в геомеханических приложениях многочисленны и разнообразны, к ним относятся: методы механики твердого тела, методы вычислительной математики, модели-аналоги, вариационные методы решения задач и т.д.
Рассмотрим несколько примеров конкретных задач, в решении которых может быть применено математическое моделирование геомеханических процессов:
1. При измерении газового давления и дебита пластовых и поверхностных дегазационных скважин известна следующая проблема — при вскрытии некоторые скважины не имеют газовыделения, а концентрация метана внутри них не превышает 2%. Также есть скважины, в которые активно поступает вода, под высоким напором (напор может достигать и 30 МПа), и вследствие такого напора эти скважины также нельзя использовать в качестве дегазационных (невозможно подключить к газопроводу). Условно такие скважины можно назвать «неработающими», и, как показывает опыт авторов [7, 8, 13], примерно 30% вскрываемых пластовых скважин не способствовали дегазации углепородного массива, и бурение этих скважин можно считать нецелесообразным.
Такое нестабильное состояние скважин связано с повышенными напряжениями, развитием трещиноватости в областях, в которых их пробурили. Очевидно, что скважина, пройденная
недалеко от очистного забоя, в зоне опорного давления; скважина, пройденная или имеющая свое начало в целике между выработками (на который ложится большая нагрузка вышележащих пород); скважина, пройденная в зоне повышенной трещиноватости или в зоне геологических нарушений — имеет повышенные шансы быть заштыбованной, деформировать свою форму, «схлопнуться», попасть в т.н. «зону упрочнения», не имея вообще никакой газоотдачи или наоборот в зону повышенной трещиноватости и иметь повышенные водопри-токи. В данном случае математическое моделирование может установить области повышенных напряжений в горном массиве, учесть пространственную неоднородность геологических формаций, выработанного пространства. Элементарные пространственные данные об областях повышенных напряжений помогут скорректировать местоположение скважины и повысят количество «работающих» скважин.
2. Еще одна задача противоположна предыдущей и состоит в выявлении геометрического местоположения потенциальных коллекторов газа для их последующей эффективной дегазации. Под коллектором газа, в соответствии с геолого-геофизическими представлениями, можно понимать область пониженных напряжений [3, 4], соответствующую максимальному флюи-допритоку. Система уголь-метан является очень сложной по процессам газовыделения из-за метана, находящегося в сорбированном состоянии. Процесс десорбции метана в горном массиве никогда не начинается самопроизвольно — для его активации или активизации необходимо изменение гидрологического режима, повышения количество воздуха в массиве, повышение температуры массива и т.д. Все это является следствием изменения напряженного состояния в углепородном массиве (природного или техногенного воздействия). Оценить изменение напряженного состояния относительно какого-то момента времени или спрогнозировать его с учетом проведения новых горных выработок в трехмерном (3D) пространстве с целью выявления местоположения коллекторов — практически не решаемая аналитически задача, в виду ее трудоемкости и требовательности к временным и кадровым затратам. В свою очередь математическое моделирование в 3D дает возможность наглядно, геометрически выявить потенциальные коллекторы и динамику их перемещения в пространстве, в привязке к горным планам.
Рассмотрим несколько примеров реализации математического моделирования геомеханических процессов (в среде
Рис. 1. Природное напряженное состояние горного массива с угольным пластом (напряжения а). Темный цвет соответствует наибольшим напряжениям, светлый — наименьшим. Для данной модели: а = 7,7 • 10-6 МПа, а,., = 2,98 • 10-6 МПа
z(min) '
Comsol Multiphysics 3.5a) в виде иерархических моделей (от природного напряженного состояния до введения в модель геологических нарушений — разломов и горных выработок).
Рис. 2. Структурная схема модели и напряженное состояние сечения горного массива с учетом системы падающих разломов (напряжения а). Темный цвет соответствует наибольшим напряжениям, светлый — наименьшим. Для данной модели: а , , = 3,1 • 106 МПа, а , . , = -2,61 • 107 МПа
^ z(max) ' у z(min) у
Рис. 3. Структурная схема модели и напряженное состояние сечений горного массива с пройденными выработками (напряжения и). Темный цвет соответствует наибольшим напряжениям, светлый — наименьшим. Для данной модели: и . . = 4,65 • 10-7МПа, и . .. = -1,59 • 10-7 МПа
z(max) 7 ' 7/mm) '
z(min)
Рис. 4. Общая схема разработки геомеханической вычислительной математической модели
Рассмотрев представленные модели, можно увидеть, насколько качественно меняется напряженно-деформированное состояние горного массива относительно природного, при внесении различных неоднородностей в виде геологических нарушений и горных выработок. И таким образом, итеративно анализируя карты-распределения полей напряжений в различных разрезах модели, можно дать рекомендации по проектированию систем дегазации для оптимизации процессов управления газовыделением.
Для решения конкретных задач горной геомеханики, необходимо разрабатывать набор вычислительных математических моделей. На рис. 4 представлена методологическая схема разработки таких моделей. Следуя такой методологической схеме, можно вполне корректно построить геомеханическую математическую модель для анализа системами автоматизированного проектирования (САПР), аналитическими или эмпирическими методами моделирования.
Как видно из этой схемы, имея уже разработанную однажды вычислительную модель, с готовыми алгоритмами решения, процесс математического моделирования значительно упрощается в своей реализации (в отношении временных затрат, вычислительных мощностей, требований к квалификации кадров). Решение уже разработанных моделей не потребует ежедневной многочасовой работы от сотрудников, но в то же время будет сопутствовать повышению достоверности информации результатов шахтных экспериментов, без усложнения производства изыскательных работ и без дополнительных затрат временных, финансовых и кадровых ресурсов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рубан А. Д., Забурдяев В. С., Артемьев В.Б. Особенности дегазации угольных пластов на шахтах с высокой производительностью очистных забоев // Безопасность труда в промышленности. — 2009. — № 9. — С. 16—21.
2. Рубан А. Д., Забурдяев В. С., Артемьев В. Б., Логинов А. К. Опыт высокопроизводительной работы очистных забоев на метаноносных угольных пластах // Уголь. — 2006. — № 10. — С. 3—6.
3. Огильви А. А. Основы инженерной геофизики. — М.: Недра, 1990, 504 с.
4. Тархов А. Г., Бондаренко В. М., Никитин А. А. Комплексирование геофизических методов: Учебное пособие. — М.: Недра, 1982. — 295 с.
5. Шкуратник В. Л., Николенко П.В. Методы определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород. — М.: МГГУ, 2012.
6. Баклашов И. В. Геомеханика: Учебник для вузов. Т. 1. Основы геомеханики. - М.: МГГУ, 2004. - 208 с.
7. Сластунов С. В., Коликов К. С., Ермак Г. П., Ютяев Е. П. Решение проблемы безопасности угледобычи в долгосрочной программе развития отрасли // Горный журнал. — 2015. — № 4. — С. 46—49.
8. Сластунов С. В., Каркашадзе Г. Г., Мазаник Е. В., Лупий М. Г. Научно-техническое обеспечение методологии прогноза максимально допустимых нагрузок на очистной забой при отработке газоносных угольных пластов // Горный журнал. — 2015. — № 3. — С. 4—8.
9. Коликов К. С., Королева В. Н., Егорова В. А., Маневич А. И. Оценка выбросопасности выемочного участка в зоне геологических нарушений с учетом аномальных зон // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - СВ 38 - С. 3-8.
10. Мазина И. Э., Маневич А. И. О методиках прогноза метанообиль-ности шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2015. - № 8. - С. 229-233.
11. Коликов К. С., Никитин С. Г., Маневич А. И. Аналитическая оценка прогноза метанообильности, рекомендуемого нормативными документами // Безопасность труда в промышленности. - 2016. - № 8. - С. 34-39.
12. WangG. X., Massarotto P., Rudolph V. An improved permeability model of coal for coalbed methane recovery and CO2 geosequestration // International Journal of Coal Geology , No.77 (2009), pp. 127-136.
13. Bo Li, Jianping Wei, Kai Wang, Peng Li, Ke Wang A method of determining the permeability coefficient of coal seam based on the permeability of loaded coal // International Journal of Mining Science and Technology: Volume 24, Issue 5, September 2014, pp. 637-641.
14. Zhongwei Chena, Jishan Liua, Zhejun Panb, Luke D. Connellb, Derek Elsworthc Influence of the effective stress coefficient and sorption-induced strain on the evolution of coal permeability: Model development and analysis // International Journal of Greenhouse Gas Control: Volume 8, May 2012, pp. 101-110. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Маневич А.И. - младший научный сотрудник, Геофизический Центр РАН, e-mail: ai.manevich@yandex.ru, Макаров В.А} - инженер, e-mail: makarov-va-13@yandex.ru, Пащенков П.Н.1 - инженер, e-mail: mcpavel@mail.ru, 1 МГИ НИТУ «МИСиС».
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 6, pp. 91-100.
A.I. Manevich, V.A. Makarov, P.N. Pashchenkov
PERSPECTIVES OF MATHEMATICAL MODELING AS PART OF GEOMECHANICAL MONITORING OF THE MINES TO INCREASE EFFICIENCY MANAGEMENT GASSING
At this moment, for all the volumes of research works carried out in the mines, in domain metan emission forecast and planning schemes degassing of coal seams, in many companies there is have not system of geomechanical monitoring mines for purposes gas balance control.
UDC 622.411.3; 622.831; 622.272
The article proves and show the perspective application of methods of mathematical modeling of geomechanical processes as part of geomechanical monitoring of mining and rock massif of accommodating, not to complicate the production of excavation work, drilling and survey operations, while increasing the reliability the information received mine experiments that will contribute to the monitoring of air and gas situation in the mine, and a competent evaluation of the gas balance.
Key words: SSS modeling, stress-strain state, modeling of geomechanical processes, monitoring, monitoring of geomechanical processes, gassing, methane emission
AUTHORS
Manevich A.I., Junior Researcher, e-mail: ai.manevich@yandex.ru, Geophysical Center, Russian Academy of Sciences, 119296, Moscow, Russia, Makarov V.A.1, Engineer, e-mail: makarov-va-13@yandex.ru, Pashchenkov P.N.1, Engineer, e-mail: mcpavel@mail.ru, 1 Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.
REFERENCES
1. Ruban A. D., Zaburdyaev V. S., Artem'ev V. B. Bezopasnost' truda vpromyshlennosti. 2009, no 9, pp. 16-21.
2. Ruban A. D., Zaburdyaev V. S., Artem'ev V. B., Loginov A. K. Ugol'. 2006, no 10, pp. 3-6.
3. Ogil'vi A. A. Osnovy inzhenernoy geofiziki (Основы инженерной геофизики), Moscow, Nedra, 1990, 504 p.
4. Tarkhov A. G., Bondarenko V. M., Nikitin A. A. Kompleksirovanie geofizicheskikh metodov: Uchebnoe posobie (Комплексирование геофизических методов: Educational aid), Moscow, Nedra, 1982, 295 p.
5. Shkuratnik V. L., Nikolenko P. V. Metody opredeleniya napryazhenno-deformi-rovannogo sostoyaniya massiva gornykh porod (Методы определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород), Moscow, MGGU, 2012.
6. Baklashov I. V. Geomekhanika: Uchebnik dlya vuzov. T. 1. Osnovy geomekhan-iki (Геомеханика: Textbook for high schools, vol. 1. Основы геомеханики), Moscow, MGGU, 2004, 208 p.
7. Slastunov S. V., Kolikov K. S., Ermak G. P., Yutyaev E. P. Gornyy zhurnal. 2015, no 4, pp. 46-49.
8. Slastunov S. V., Karkashadze G. G., Mazanik E. V., Lupiy M. G. Gornyy zhurnal.
2015, no 3, pp. 4-8.
9. Kolikov K. S., Koroleva V. N., Egorova V. A., Manevich A. I. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, pp. 38, pp. 3-8.
10. Mazina I. E., Manevich A. I. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 8, pp. 229-233.
11. Kolikov K. S., Nikitin S. G., Manevich A. I. Bezopasnost' truda vpromyshlennosti.
2016, no 8, pp. 34-39.
12. Wang G. X., Massarotto P., Rudolph V. An improved permeability model of coal for coalbed methane recovery and CO2 geosequestration. International Journal of Coal Geology, No.77 (2009), pages 127-136.
13. Bo Li, Jianping Wei, Kai Wang, Peng Li, Ke Wang A method of determining the permeability coefficient of coal seam based on the permeability of loaded coal. International Journal of Mining Science and Technology: Vol. 24, Issue 5, September 2014, pp. 637-641.
14. Zhongwei Chena, Jishan Liua, Zhejun Panb, Luke D. Connellb, Derek Elsworthc Influence of the effective stress coefficient and sorption-induced strain on the evolution of coal permeability: Model development and analysis. International Journal of Greenhouse Gas Control: Volume 8, May 2012, Pages 101-110.
