Влияние добычной скважины на деформированное состояние угольного Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97»

МОСКВА, МГГУ, 3.02.97 - 7.02.97 СЕМИНАР 1 «РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ГЕХНОЛОГИИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ ПЛАСТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ»

Ю.Ф. Васючков. акад. РАЕН, проф., д.т.н.

Е.П. Брагин, проф., д.т.н.

К.Е. Сидоров, аспирант

Московский государственный горный университет

ВЛИЯНИЕ ДОБЫЧНОЙ скважины на ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА

Скважина сильно влияет на напряженно-деформированное состояние массива, содержащего угольный пласт. До начала бурения скважины напряженно-

деформированное состояние ненарушенною угольного пласта зависит в основном от глубины его залегания, от структуры угля и его механических характеристик, от плотности вышележащих горных пород. Однако когда бурится скважина, напряженно-деформированное состояние массива начинает меняться: в массиве появляется пустота (скважина), вокруг этой скважины образуется зона нарушенных горных пород, появляющаяся в результате механического воздействия на массив при бурении скважины. Воздействие на пласт через скважину микробиологических или химических реагентов меняет физико-механические характеристики угля и горных пород. Изменение физико-механических характеристик приводит к дальнейшему изменению напряженно-деформированного состояния массива. Анализ напряженно-деформированного состояния массива до бурения скважины, после появления скважины и далее при воздействии на пласт является необходимым элементом разработки технологических схем скважинной добычи угля.

Однако аналитическое описание напряженно-деформированного состояния угольного пласта и вмещающих пород для реальных граничных условий в массиве, содержащем несколько видов пород со свои-

ми характеристиками, представляет достаточно сложную, а иногда неразрешимую задачу. В настоящее время подобные задачи решают приближенными методами с использованием вычислительной техники. Мы применили для оценки напряженно-деформированного состояния в процессе воздействия на угольный массив метод конечных элементов, что позволило учесть структуру и все разнообразие характеристик массива, максимально приблизиться к реальным условиям.

Одной из реализаций МКЭ является программа РЬАЭТ. разработанная проф. Е.П.Брагиным. Программа РЬАЭТ вычисляет компоненты напряженно-

деформированного состояния, основываясь на исходных данных и граничных условиях, которые она считывает из текстового файла PLAST.DAT. Основными вычисляемыми компонентами являются:

а) горизонтальные смещения узловых точек расчетной схемы £/(мм);

б) вертикальные смещения узловых точек расчетной схемы Г(мм);

в) нормальные горизонтальные напряжения стх(МПа);

г) нормальные вертикальные напряжения СТу(МПа);

д) касательные напряжения т

ху

(МПа).

Зная смещения узловых точек рассчитываются горизонтальные и вертикальные деформации £и(%) и 8У(%).

Достоинством программы следует считать, что приведенные выше компоненты она рассчитывает с учетом влияния времени.

Для исследования плоского напряженно-деформированного состояния массива методом конечных элементов построили модель слоистого горного массива ( на рис. 1 представлен фрагмент расчетной схемы с сеткой конечных элементов). Полная модель содержит четыре слоя: песчаник,

угольный пласт мощностью 0,8 м, сланец песчанистый мощностью 0,55 м, и снова песчаник. С поверхности на угольный пласт и через пласт до его основания пробурена скважина, которая в плоской модели представлена щелью шириной 0,2 м и бесконечной в направлении перпендикулярном плоскости модели.

3 4 7

В данной модели реализовано допущение о том, что вокруг скважины породы ослаблены и имеют другие характеристики. Характеристики входящих в модель горных пород представлены в таблице.

В качестве граничных условий приняты сжимающие напряжения: вертикальные - сту =у Н, горизонтальные - стх = А.у Я, где у - плотность вышележащих пород; Н -глубина работ; X - коэффициент бокового распора.

На рис. 1 показаны номера узлов расчетной схемы. В нижней строке проставлены размеры конечных элементов по оси X, а в правом столбце - размеры конечных элементов по оси У.

Путем исключения скважины и нарушенных горных пород построена модель и выполнены расчеты НДС ненарушенного массива без скважины. Исходные данные для этого расчета взяты те же, что и для основной модели.

1 6

П/16 0,1 0/ II.* П« 0.5 О*

Л

Рис. 1. Фрагмент расчетной схемы с сеткой конечных элементов

/ - пустота; 2 - сланец песчанистый; 3 - песчаник; 4 - уголь; 5 - нарушенный сланец песчанистый; 6 - нарушенный уголь; 7 - нарушенный песчаник

Было проведено исследование абсолютных горизонтальных смещений и горизонтальных деформаций при различных

модулях упругости Е. Расчеты выполнены при различных модулях упругости Е, представленных в таблице.

Таблица

Физико-механические характеристики горных пород и угля

Физико- механические характерис- тики сланец песчанистый песчаник уголь нарушенный сланец песчанистый нарушенный уголь нарушенный песчаник

110000 150000 30000 55000 15000 75000

130000 200000 40000 65000 20000 100000

150000 250000 50000 75000 25000 125000

170000 300000 60000 85000 30000 150000

Е (МПа) 190000 350000 70000 95000 35000 175000

210000 400000 80000 105000 40000 200000

230000 450000 90000 115000 45000 225000

250000 500000 100000 125000 50000 250000

И 0,18 0,25 0,46 0,18 0,46 0,28

у (кг/м ) 2700 2680 1690 2700 1690 2680

СТр(МПа) 20 16,5 0,25 10 0,12 8,25

р(рад) 0,31 0,53 0,59 0,31 0,59 0,53

С(МПа) 14 14 2,4 14 2,4 14

В таблице: Е(МПа) - модуль упругости; ц - коэффициент Пуассона; у (кг/м ) -плотность; ар(МПа) - предел прочности на растяжение; р(рад) - угол внутреннего трения; С(МПа) - коэффициент сцепления.

По результатам расчета проанализировано изменение абсолютных смещений и(мм) и деформаций £и(%) в моделях без скважины и с ней, а также изменение абсолютных смещений и деформаций при изменении модуля упругости горных пород в результате воздействия на массив.

Для анализа абсолютных горизонтальных смещений построены семейства кривых, описывающих зависимости смещений от расстояния до скважины на различных высотах от забоя скважины при различных модулях упругости угля и вмещающих пород. В качестве примера на рис. 2 представлены построенные по результатам расчетов характерные зависимости абсолютных горизонтальных смещений в угольном массиве от расстояния до скважины на различных высотах от забоя скважины. На

графиках видно изменение горизонтальных смещений при удалении от стенок и забоя скважины. Восемь кривых на рисунке отражают распределение смещений по мощности пласта с шагом 0,1 м. Анализ графиков показывает, что максимальные значения смещений имеют место на границе скважины с массивом; по мере удаления в массив смещения уменьшаются; по мере удаления по высоте от забоя скважины смещения увеличиваются, однако интенсивность роста горизонтальных смещений по мере удаления от забоя скважины уменьшается и минимальное значение имеет на контакте пласта с кровлей.

Величины горизонтальных смещений в модели без скважины почти одинаковы по всей мощности угольного пласта и близки к нулю.

Строя зависимости при различных модулях упругости Е и исследуя полученные семейства кривых можно сказать, что форма кривых и их поведение при различных значениях модуля упругости похожа,

однако не полностью идентична. Изменяется также и величина смещений. С уменьшением модуля упругости горизонтальные смещения увеличиваются.

Для анализа горизонтальных деформаций построены семейства кривых, описывающих зависимости деформаций от расстояния до скважины на различных высотах от забоя скважины при различных модулях упругости угля и вмещающих пород. В качестве примера на рис. 3 представлены семейства кривых графически описывающих зависимости горизонтальных деформаций от расстояния до скважины на разных расстояниях по высоте от забоя скважины.

Ц<нм)

Рис.2. Зависимости абсолютных горизонтальных смещений и (мм) в угольном массиве от расстояния до скважины Щм) на различных высотах И(м) от забоя скважины:

1 - при И~0,1 м; 2 - при И-0,2 м; 3- при И=0,3 м, 4 - при И~0,4 м; 5 - при И=0,5 м; 6 - при И=0,6 м; 7 - при И=0,8 м.

Восемь кривых на рисунке отражают распределение горизонтальных деформаций по мощности пласта с шагом 0,1 м.

Анализ графиков показывает, что у скважины горизонтальных деформации положительны, затем с увеличением расстояния от скважины величина деформаций уменьшается проходя точку нуля и постепенно стремится к определенной отрицательной величине близкой к нулю. Положительные деформации образуют около скважины зону растяжения. У забоя скважины

деформации отрицательны, что хорошо видно на рис. 4, где представлено распределение горизонтальных деформаций по мощности пласта у скважины. С увеличением расстояния от забоя скважины по вертикали величины деформаций сначала увеличиваются, а затем уменьшаются. Максимальные горизонтальные деформации имеют место в середине мощности пласта у стенки скважины.

Рис. 3. Зависимости горизонтальных деформаций еи(%) в угольном массиве от расстояния до скважины Щм) на высотах И(м) от забоя скважины:

1 - при И-0,1 Л4, 2 - при И=0,2 м; 3 - при И-0,3 м: 4 - при И=0,4 м; 5 - при И-0,5 м; 6 - при И=0,6 м; 7 - при

И=0,8 м.

В модели без скважины положительных горизонтальных деформаций не возникает, деформации практически одинаковые по всей толщине угольного массива и их значения близки к нулю.

Влияние модуля упругости угля на деформации такое же как и на смещения, т.е. с уменьшением модуля упругости деформации увеличиваются. Однако на значительном расстоянии от скважины влия-

Еу(%1

представлена на рис. 5. На рисунке показана часть расчетной модели, включающая в себя угольный пласт и его кровлю. На рисунке также показана вертикальная граница скважины и зона ослабления пород в непосредственной близости от этой границы. Кривые определяют границу зоны растяжения при различных модулях упругости угля и кровли пласта.

Анализ графиков показывает, что с увеличением вертикального расстояния от забоя скважины граница зоны растяжения удаляется от скважины - зона растяжения увеличивается. Однако зона растяжения увеличивается не равномерно: с увеличением расстояния от забоя скважины в угольном пласте граница зоны растяжения сначала довольно интенсивно увеличивается, затем ее рост практически приостанавливается, а затем в угольном пласте и далее в кровле пласта снова начинается интенсивный рост зоны растяжения. Эта закономерность прослеживается при различных модулях упругости угля и кровли.

Мм)

Рис. 5. Зоны растяжения в угольном пласте и кровле при различных модулях упругости угля Е (угля)(МПа) и модулях упругости кровли Е (кровли)(МПа).

1 - Е(угля) = 30000 (МПа) и Е (кровли) = 150000 (МПа);

2 - Е(угля) = 70000 (МПа) и Е (кровли) = 350000 (МПа);

3 - Е(угля) = 100000 (МПа) и Е (кровли) = 500000 (Мпа)

ние модуля упругости на деформации уменьшается.

Н (м)

Рис.4. Распределение горизонтальных деформаций £,,(%) в угольном массиве у стенки скважины по мощности Н(м) пласта.

Анализируя зависимости подобные представленным на рис. 3, построенные при различных модулях упругости угля и кровли пласта, можно построить зону растяжения в координатах /г(м) от /?(м) ( где /?(м) -горизонтальное расстояние от скважины, а И(и) - вертикальное расстояние от забоя скважины) при различных модулях упругости угольного пласта и кровли. Эта зона

С уменьшением модулей упругости пласта и кровли граница зоны растяжения удаляется от скважины, сама зона растяжения увеличивается.

В модели без скважины, как уже было сказано, зона растяжения отсутствует.

Обобщая все вышесказанное на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Наличие скважины изменяет напряженно-деформированное состояние, что влечет за собой изменение величины и направления горизонтальных смещений и деформаций. В массиве появляется зона растяжения, которая отсутствует в модели без скважины. С увеличением вертикального расстояния граница зоны растяжения удаляется от скважины и сама зона растяжения увеличивается. В зоне растяжения при увеличении вертикального расстояния смещения увеличиваются, а деформации сначала увеличиваются, а затем уменьшаются.

© Ю.Ф. Васючков

2, Уменьшение модуля упругости приводит к увеличению смещений и деформаций. На значительном расстоянии от скважины влияние модуля упругости на смещения и деформации уменьшается. Уменьшение модуля упругости приводит к изменению конфигурации и расположению границы зоны растяжения в угольном пласте и кровле пласта и удалению этой границы от скважины.

3. Разрабатывая технологические схемы скважинной гидродобычи угля следует учесть, что разрушение угля целесообразно проводить в зоне растяжения, т.к. потребует меньше затрат энергии. Предварительное снижение модуля упругости угля путем химического или микробиологического воздействия на угольный пласт приведет у еще большему снижению энергозатрат на разрушение угольного пласта.

Е.П. Брагин, К.Е. Сидоров