CC BY
38
7. Иванкин П.Ф., Труфанов В.Н. Об углеводородной флюидизации ископаемых углей. // Докл. АН СССР.1987. Т. 292, № 5. с. 1214-1216
8. Труфанов В.Н., Славгородский НИ, Труфанов С.Н Углеводородная флюидизация ископаемых углей. // Научно-технические достижения и передовой опыт в области геологии и разведки недр. - М., 1991. Вып. 6. - С. 8-17.
9. Труфанов В.Н, Лосев Н.Ф., Гамов М.И. и др. Особенности формирования и термобарогеохимические критерии прогнозирования выбросоопасных зон в угольных пластах. // Препринт. Вып. 10. Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ, 1993. 30 с.
10. Труфанов В.Н., Лосев Н.Ф., Гамов М.И. и др. Моделирование процессов углеводородной флюидизации ископаемых углей. Ростов-на-Дону: СКНЦВШ. 1995. 48 с.
11. Труфанов В.Н., Гамов М.И., Майский Ю.Г., Рылов В.Г. Роль процессов углеводородной флюидиза-
ции в формировании метанообильных зон в угольных пластах. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. 2002, № 6. - С. 20-26.
12. Труфанов В.Н., Грановская Н.В. и др. Прикладная термобарогеохимия. Ростов-на-Дону: РГУ.1992. 174 с.
13. Труфанов В.Н., Тимченко Н.А., Прокопов Н.С. и др. Автоклавная установка для переработки минерального сырья. Авт. свид. № 926046 от 7.01.1982г.
14. Колесников В.В., Лосев Н.Ф. Механизмы саморазрушения газонасыщенного угля, их связь с явлением выброса метаноугольной смеси. Ростов-на-Дону: СКНЦВШ. 1995. 32 с.
15. Гуфан Ю.М., Мощенко И.Н. Модель структурных изменений в углях при метаморфизме. Ростов-на-Дону: СКНЦВШ.1992. 24 с.
16. Колесников В.В. Физические аспекты выбросоопасного состояния каменных углей. Общий анализ проблемы. Ростов-на-Дону: СКНЦВШ. 1993. 24 с.
__ Коротко об авторах
Труфанов В.Н. -Геотехцентр-Юг РГУ.
--------------------------------------- © В.Н. Одинцев, В.В. Гурьянов,
2004
УДК 622.411.33:622.83
В.Н. Одинцев, В.В. Гурьянов
ВЛИЯНИЕ ПОРОВОЙ ВОДЫ НА ПРОЦЕСС ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯВ ГАЗОНАСЫЩЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ *
Семинар № 5
~П настоящей работе исследуется воз--Я-М можное участие природной воды, заполняющей макропоры, в процессе разрушения угля. Эта работа является продолжением теоретических исследований механизма газоотда-чи угольных пластов. Ранее были установлены закономерности развития трещин отрыва при
диффузии молекул метана в угле [1], развития трещин под действием свободного метана, появляющегося в трещине за счет выхода из угольного вещества молекул связанного метана [2, 3], при влиянии фрактальной структуры дефектов угольного вещества [4]. Показано, что в зависимости от условий нагружения и свойств
*Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (Проект № 02-0564959)
Рис. 1. Схема к модели развития трещин при участии растворенного в воде газа: а) начальная стадия - поры заполнены водой с растворенным метаном; б) развитие трещинопоры - образование свободного метана
угля трещины могут распространяться в динамическом и квазистатическом режимах, возможны также случаи, когда трещины из-за энергетических ограничений расти не могут.
1. Согласно общепринятым представлениям в природном угле вода содержится в различном состоянии. Имеется вода, механически заполняющая изолированные макропоры и микротрещины; капиллярно-связанная вода, заполняющая микропоры; сорбционносвязанная вода на поверхности микропор; химически связанная вода. Поэтому действие воды на процесс десорбции метана из угля может быть различным.
Действие воды, находящейся в макропорах, может быть значимым фактором для геомеха-нического состояния и газоотдачи угля, поскольку именно макропоры являются одними из главных трещинопорождающих дефектов в угле. Поровая вода может участвовать в разрушении угля по крайней мере двояко. Во-первых, вода снижает трещиностойкость угля (адсорбционный эффект). Во-вторых, природная вода определенно должна содержать растворенный метан, который при уменьшении напряжений в угле и давления воды может выходить из воды в трещинное пространство. Ниже представлена математическая модель и сделана оценка возможности развития трещин отрыва при участии метана, растворенного в природной воде.
Особенность растворенных в воде газов заключается в том, что они (в отличие от газов, абсорбированных твердым веществом) могут быстро переходить из растворенного состояния в свободное, если давление воды станет меньше давления насыщения газа. Таким образом, при изменении напряженного состояния угля и,
следовательно заполняющей макропоры воды, часть растворенного в воде газа может практически мгновенно перейти в свободное состояние подобно внезапному выделению углекислого газа при открытии бутылки теплого шампанского.
Растворимость метана в воде мала. Она составляет 3,51 мл на 100 мл воды при температуре 20оС; 5,56 мл на 100 мл воды при температуре 0оС. Поэтому главный вопрос исследования заключается в том, достаточно ли количество растворенного метана, который выделяется из воды, чтобы играть заметную роль в развитии трещин. 2.
Математическая модель. Рассматривается прорастание микротрещин отрыва из шаровидных пор. Изолированные поры в идеализированной упругой среде (угле) изначально полностью заполнены водой с растворенным метаном. Исходное давление воды в порах равно величине начальных напряжений в среде Р (главные компоненты начальных напряжений равны между собой). Давление насыщения метана в воде также равно Р. Капиллярными силами пренебрегаем. Поры имеют равный диаметр ^0 и равно удалены одна от другой на расстояние, при котором их можно рассматривать как изолированные поры (рис. 1)
Рассмотрим сначала одну пору в условиях осевой симметрии. Пусть изменяется напряженное состояние среды, так что величина одной компоненты напряжений, например вертикальной компоненты (Г2 , становится намного меньше величин компонент горизонтальных напряжений СГХ и СГу . При этом
аг =Р-Д = д, <?х = Р> =р. (1)
Вследствие неравномерного сжатия среды и сохраняющегося в первый момент высокого давления воды из поры начинают прорастать микротрещины отрыва в направлении горизонтального сжатия. Рост микротрещин
ведет к увеличению объема трещинопоры и падению давления воды. Поэтому из воды начинает происходить выделение растворенного метана, который переходит в свободное состояние.
Если выделяющийся свободный метан способен поддержать дальнейший рост микротрещин, то имеет место дальнейшее падение давления газожидкостной смеси в поре и более интенсивный выход из воды растворенного метана. Соединение микротрещин отрыва, растущих из пор, расположенных примерно в одной плоскости, формирует макротрещину отрыва.
Длину трещинопоры, т.е. поры с соответствующими микротрещинами в направлении роста микротрещин, обозначим 2Б . Если длина трещинопоры станет равной расстоянию между порами, лежащими приблизительно в одной плоскости (2Б = 2Б0), то отдельные трещинопоры должны соединиться, сформировав макротрещину (магистральную трещину).
Математическое условие, определяющее длину выросшей предельно равновесной микротрещины отрыва после изменения напряженного состояния среды в соответствии с теорией трещин и соотношениями работы [5] можно записать в виде
К1С /(яЦ, /2)1/2 = (р-д)Л 1П¥ {л ), (2)
К
где 1С - трещиностойкость среды (угля); р
- установившееся давление воды в трещино-поре; д - известное напряжение, действующее нормально плоскости развития микротрещины; Л = (2Б/ do)-1 - безразмерная длина микротрещин отрыва, начинающихся от
,0 <Л<ЛМ = (2Б 0 / do) -1> границы поры { М V 0 0' },
2
М - предельная длина микротрещин; ¥ (Л) -функция безразмерной длины, отражающая изменение формы и объема трещинопоры. Эта функция определяется численно из решения соответствующей задачи теории упругости.
Установившееся давление водногазовой смеси в трещинопоре можно найти, используя закон Генри
т = Бн(Р -р) , (3)
где m - масса газа, выделившегося из единицы объема воды при понижении ее давления от давления насыщения, которое принято равным Р , до установившегося значения p, Sн - постоянная Генри. Используем также уравнение состояния газа
pV = mRT/ /л . (4)
где р - давление газа, V - объем газа, R — универсальная газовая постоянная, Т - температура, ц— молекулярный вес.
Для давления водногазовой смеси в выросшей трещинопоре р можно получить приближенное соотношение
р/Р*{ [4/+(1-/д/Р)2)72 + /д/Р-1}/(2/), (5)
где / = 4(1-у2)«р(;I +\^Х2-Х21 а = М/(^Т^ ^
- длина зародышевой трещинопоры. В расчетах эту величину надо задавать. В приближенной оценке можно считать Л, =(2Б, / d0 ) - 1 <
0,1.
Образование макротрещин определяется условием слияния микротрещин, растущих от соседних крупных пор. Значение показателя пористости, учитывающего только макропоры, заполненные водой, обозначим тк . Если значение тк (в %) известно, то можно оценить предельную длину трещинопоры Хм. В случае шаровидных пор имеем приближенное соотношение
Лм »[(4яУ3)100/тк У3 / 2-1. (6)
Система соотношений (1) - (6) позволяет исследовать условия образования макротрещин в среде с порами при изменении напряженного состояния среды. Решая эту систему уравнений, можно сделать определенные количественные оценки и качественные выводы о роли метаносодержащей воды в развитии макротрещин. Здесь мы ограничимся численным исследованием прорастания микротрещин от отдельных пор, не рассматривая детали развития макротрещин, объ3ди@я|®нцих>щшношюкрат1рещин для трех случаев изменения напряжений ах\ д / р = 0; д / Р — 0,1; д / р = 0,2 ПРИ значениях температуры 0 °С и 20 °С.
Результаты численных расчетов длин микротрещин отрыва представлены в виде графических зависимостей (рис. 2) безразмерной длины микротрещин от исходного давления воды в поре, которое входит в безразмерный параметр р d0 /2}1/ 2 /К1С. Кривые А и Б соответствуют температуре воды 20 “С и 0 0С, индексы 1, 2, 3 соответствуют отношениям
д /р : 0 ; 0,1 ; 0,2.
Для сравнения на рисунке приведены результаты расчетов для случая, когда поры заполнены водой без газа (кривая В). В этом случае развитие микротрещин определяется только упругими свойствами воды. Штриховая горизонтальная линия указывает значение Лм, соответствующее пористости среды тк « 1% (в отношении макропор, заполненных водой).
4. Анализ результатов численных расчетов. Положение кривых отражает условия трещи-нообразования. Чем выше расположена кривая, тем выше способность порового трещинного заполнителя к трещинообразованию. Из рисунка видно, что при указанных значениях параметров кривые лежат выше пунктирной линии, следовательно, в указанных условиях реально образование магистральных трещин отрыва.
Проекции точек, из которых начинаются кривые, на ось абсцисс указывают на значение
параметра (р/К1С)(ж а0 / 2)1/2, при котором
начинается рост микротрещин. Кривая В, отвечает случаю, когда поры заполняет вода, не содержащая растворенный газ. В этом случае за счет упругих свойств воды зародышевые микротрещины немного прорастают, но не могут сформировать макротрещины.
В заключение подчеркнем, что форма пор также имеет значение. Из исследований, которые здесь для краткости изложения не приводятся, следует, что способность цилиндриче-
ских пор к трещинообразованию выше шарообразных.
Таким образом, общий вывод проведенных численных расчетов состоит в том, что при изменении напряженного состояния угля метан действительно может выделяться из поровой воды и в свободном виде активно участвовать в развитии микротрещин отрыва. Если при этом величина одной из компонент горного давления снижается до нуля, то количества выделяющегося из природной воды растворенного метана вполне достаточно для того, чтобы способствовать развитию в угле протяженных (магистральных) трещин и тем самым образованию в изначально непроницаемом угле наведенного фильтрационного пространства.
5. Значение проведенных исследований для понимания механизма метаноотдачи из природного угля. Как следует из теории трещин, вблизи кончика трещины образуется область интенсивной диссипации энергии и локальных микроразрушений материала. В природном изначально непроницаемом угле вблизи кончика трещины образуется область наведенной проницаемости, т.е. транспортных каналов различных масштабных уровней, по которым молекулы связанного (растворенного и абсорбированного) метана могут «быстро» выходить из угольного вещества в трещину. Характерный размер области влияния кончика трещины зависит от типа трещины, скорости ее роста, степени раскрытия берегов. В частности, у динамически развивающихся открытых трещин отрыва размер области влияния кончика трещины на порядок превышает размер области влияния кончика сдвиговой трещины, развивающейся в квазистатическом режиме. Поскольку кончик растущей трещины смещается в пространстве, то фактически весь берег протяженной трещины пронизан локальными транспортными каналами.
Если трещина полностью заполнена водой,то молекулы воды блокируют образующиеся транспортные каналы вблизи берегов трещины. Этот случай соответствует развитию сдвиговых трещин, поскольку в сдвиговых трещинах
Рис. 2. Кривые зависимости безразмерной длины микротрещин 28 от исходного напряжения Р при различных значениях параметра q (пояснение в тексте)
р_ / ячТцчШ К1С\2 )
расхождение берегов минимально и все трещинное пространство может быть заполнено природной поровой водой.
Таким образом, в природном газонасыщенном угольном пласте, содержащем в достаточном количестве поровую воду, выход метана из пласта должен зависеть от типа разрушения пласта. Так при внезапных выбросах угля и газа имеет место механизм отрывного разрушения угля - послойный отрыв фрагментов угля на забое и рост открытых трещин вблизи забоя. В этом случае создаются благоприятные условия для выхода из угольного вещества связанного метана. Поэтому, при выбросе угля в выработку поровая вода не блокирует десорбцию метана из угольного вещества.
При шахтной добыче метана в глубине угольного пласта преобладает сдвиговой механизм развития трещин. В этом случае, как указывалось выше, транспортные каналы для выхода молекул связанного метана в трещины могут быть закрыты водой, поэтому количество десорбирующегося метана может быть незначительным. Таким образом, при шахтной добыче метана изначально вы-
1. Одинцев В.Н. Оценка микротрещинообразо-вания в угле при десорбции метана // Записки Горного института (С.-Петербургский ГГИ). - 2000. - Т.148. -4.1. - С. 146-150.
2. Одинцев В.Н. Внезапный выброс угля и газа -разрушение природного угля как раствора метана в твердом веществе ФТПРПИ.- 1997. - № 6. - С. 18-27.
3. Одинцев В.Н, Бунин И.Ж. Эммиссия метана при разрушении угля. (Настоящий сборник)
сокая природная водонасыщенность пласта может быть негативным фактором.
В заключение заметим, что при искусственном нагнетании воды в угольный пласт в угле развиваются трещины отрыва, полностью заполненные водой. Ясно, что в процессе нагнетания воды связанный метан не может выходить из угольного вещества. Однако, при откачивании воды из пласта процесс выхода связанного метана в трещины может активизироваться, хотя и не быть таким интенсивным как при выбросах угля и газа.
Основные выводы.
1. Метан, находящийся в растворенном состоянии в поровой воде, при определенных условиях может быть фактором, влияющим на процесс трещинообразования в угольном пласте.
2. Растворенный в воде метан может активно поддержать развитие трещин отрыва (особенно в начальной стадии их развития) и фактически не участвовать в развитии трещин сдвига.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Одинцев В.Н., Бунин И.Ж. Механизм развития трещин в геоматериале с фрактальной структурой // Геотехническая механика (ИГТМ НАН Украины). -2002. - В. 34. - С. 31-37.
5. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Одинцев В.Н. Механика гидрогазоимпульсного воздействия на трещиновато-пористую породу при скважинной гидродобыче // ФТПРПИ. - 1995. - №6. - С.70-83.
___ Коротко об авторах _______________________________________________________________
Одинцев Владимир Николаевич - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник,
Гурьянов Владимир Васильевич - профессор, доктор технических наук, главный научный сотрудник ИПКОН РАН.
