Научная статья на тему 'Влияние твердых растворов природного газа на газодинамические процессы впереди забоя подготовительной выработки'

Влияние твердых растворов природного газа на газодинамические процессы впереди забоя подготовительной выработки Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
85
49
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Влияние твердых растворов природного газа на газодинамические процессы впереди забоя подготовительной выработки»

УДК 622:51.001.57

В. В. Дырдин, Т. Л. Ким, С. А. Шепелева

ВЛИЯНИЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВПЕРЕДИ ЗАБОЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ

Впереди забоя подготовительных выработок, проводимым по угольным пластам, склонным или опасным по внезапным выбросам угля и газа, коэффициент концентрации напряжений в зоне опорного давления, как следует из экспериментальных результатов, не достигает значений, превышающих 1 [1]. Это объясняется принципиально другим характером нагружения краевой части по сравнению с очистной выработкой, где коэффициент концентрации напряжений в статике в точке максимума опорного давления может составлять 1,2 - 1,6 и выше. А при динамических обрушениях его величина много больше 1 [1]. Вместе с тем в ряде случаев подготовительная выработка может попадать в зону повышенного горного давления (ЗПГД). Коэффициент концентрации напряжений в локальных точках также может быть много больше 1. Это может быть также связано с влиянием взрывных работ или под влиянием опорного давления соседних выемочных участков.

В угольных пластах в зависимости от термодинамических условий природный газ может находиться в различных состояниях: свободном, сорбированном и твердом по типу газовых гидратов. Твердые растворы могут существовать при определенных температурах и давлениях. Фазовый переход газа из твердой фазы в свободную возможен при условии, что фазовые параметры больше или меньше равновесных. Пусть в начальный момент времени газовое давление в угольном пласте 2,0 МПа (например, пласт «Владимиров-ский» ш. «Северная»).

При резком возрастании напряжений в тонком слое угля ДХ впереди забоя подготовительной выработки под действием нормальных и тангенциальных напряжений, направленных в сторону выработки, образуются трещины в плоскости, ортогональной оси выработки, то есть параллельно поверхности забоя. Согласно представлениям проф. Мурашева В.И. это возможно, когда подготовительная выработка резко внедряется из зоны крепких углей в зону нарушенных углей.

Повышенные механические напряжения сопровождаются уменьшением объема порового пространства и, как следствие, повышением газового давления (рис. 1, участок аЬ). Вследствие интенсивного трещинообразования в плоскости, ортогональной оси выработки, происходит раскрытие трещин и снижение давления газа в данной зоне (рис. 1, участок Ьс).

При падении газового давления до значений

ниже давления равновесного состояния системы «уголь - поровая влага - гидраты природного газа» начинаются два процесса: десорбция газа с поверхности макропор и трещин, а также диссоциация газовых гидратов [2]. Диссоциация газовых гидратов приводит к повышению в 2,0 - 3,0 раза давления в краевой зоне угольного пласта. Если коэффициент выбросоопасности положительный, то в сторону угольного массива начнет распространяться волна дробления, которую можно рассчитать по модели акад. С. А. Христианови-ча [3]. Значение скорости волны дробления для выбранных условий может составить 10,34 м/с. Волна за время выброса пройдет расстояние вглубь массива 5,17 м. За это время может выделиться 5,7 м3 газа с каждых 0,1 м. Таким образом, за время протекания внезапного выброса может выделиться 294,49 м3 газа.

(?

ъ О/'' 2 /

/

с

0,01 0,012 0,014 0,016

время, с

Рис. 1. Изменение давления со временем при исходной влажности угольного пласта 1 - 2%; 2 -давление равновесного состояния системы «уголь - поровая влага - газовые гидраты»

Если выбросоопасная ситуация не сформировалась, то начнется интенсивная фильтрация газа в сторону забоя выработки и ее дальнейшее зага-зирование.

2

В. В. Дырдин, Т. Л. Ким, С. А. Шепелева

Рис. 2. Изменение распределения давления газа в зоне, лежащей за слоем АХ, то есть ближе к границе зоны влияния выработки, после начала диссоциации газовых гидратов

При исследовании фильтрации газа основное значение имеет тот факт, что сжимаемость газа обычно на несколько порядков превышает сжимаемость пористой среды. С учетом этого запишем уравнение неразрывности:

Зр _

т--ъ агура = 0,

Ы

(4)

Уравнение (3) принимает вид:

аР , ч. . ж-?2

— = г(р)Ар, где Ар = V р а

ц = еотг; р

Ро

Рис. 3. Распределение давления газа после начала диссоциации газовых гидратов при различном коэффициенте проницаемости пористой среды (сплошная линия - к = 0,01 дарси; точки - к = 0,001 дарси, точки - пунктир - к = 0,1 дарси)

(1)

где т - коэффициент пористости среды, р - плотность газа, а - скорость фильтрации газа.

В первом приближении будем считать, что фильтрация ламинарная. В этом случае скорость фильтрации газа сквозь пористую среду определяется законом Дарси:

а = ——%гааР, (2)

л

где к - проницаемость пористой среды; л - динамическая вязкость газа.

Исключая скорость фильтрации имеем:

т Ыр = Ыгу(р gradР). (3)

Введем функции Лейбензона:

р( р) = — | ррр^; г( р) = т( %)—1.

(5)

В первом приближении газ можно считать термодинамически идеальным, а коэффициенты к и л постоянными при движении газа к забою выработки и что плотность газа зависит только от давления (баротропное приближение), получаем замкнутую систему уравнений.

(Ро Р)

(6)

ющий вид:

р( р) =

кРо р 2

г

кр тц'

(7)

называ-

-V2 Р2.

(9)

2лро

Уравнение (5) преобразуется к виду, емому уравнением Буссинеска [4]: дР_ _к_

Ы 2т л

Движение метана в пласте угля в сторону забоя, то есть для одномерного изотермического течения описывается уравнением:

ЫР=_^.Ы!Р1, (10)

З? 2тц 5х2

где Р - давление; л - динамическая вязко сть газа.

Найдем закон изменения давления газа в области, находящейся за слоем угля ДХ, то есть ближе к зоне «нетронутого» массива, после начала процесса диссоциации. Примем следующие начальные и граничные условия:

Р(х,0) = Р0 = Рстм, при X < 0 - начальное давление в выработке[5];

Р1 (х, ?)| х=^ = Р2 (х, ?)| х=^ = рр, где £ -

граница разложения газовых гидратов в слое ДХ;

Рз (х,0) = Р(х, ?) = Рг , при х > а, где а -протяженность зоны влияния выработки.

Задача в такой постановке автомодельна, решение ее известно [6], а закон распределения давления запишется в виде:

Р =

РГъ (Р 2р— р2) ахл ■

(11)

При этом функции Лейбензона пр имут с леду-

где Рг - постоянное газовое давление; Рр - давление разложения гидрата при пластовой температуре (рис. 2).

В результате расчетов при Т = 278 К получаем распределение газового давления после начала процесса диссоциации твердых растворов природ-

ных газов по типу газовых гидратов (рис. 3). Расчет произведен при следующих значениях: Рр = 1,7106 Па; Рг = 46-106 Па; к = 0,01 дарси; Р0 = 106

Па; т = 0,10; а = —'ро ; ЛГ = 0,00001 Па^с. т ■ л г

При высоком коэффициенте проницаемости будет происходить загазирование выработки. При малой проницаемости пористой среды вблизи забоя создаются высокие газовые давления, что мо-

жет повлечь за собой формирование выбросоопасной ситуации.

Таким образом, проведенные исследования позволили оценить состояние призабойной зоны массива вследствие газодинамических процессов, и разработать определенные меры по созданию безопасных условий при разгазировании выработки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вылежагин В. Н. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов / В. Н. Вылежагин, П. В. Егоров, В. И. Мурашев // АНСССР, Сиб. отд-ие, Ин-т угля. - Новосибирск: Наука, 1990, 291 с.

2. Дырдин В. В. Влияние газогидратов на формирование выбросоопасных ситуаций в угольных пластах / В. В. Дырдин, С. А. Шепелева // Известия высших учебных заведений. Горный журнал - № 6. -2010. - С. 95 - 98.

3. Христианович С. А. О волне дробления // Известия АН СССР, ОТН. - №12. --1953. -- С. 1689 -1699.

4. Барренблатт Г. И. Теория нестационарной фильтрации жидкости и газа / Г. И. Барренблатт, В. М. Ентов, В. М. Рыжик - М.: Недра, 1972, 288 с.

5. Ким Т. Л. Математическое моделирование процесса диссоциации кристаллогидрата в краевой зоне угольного пласта / Т. Л. Ким, В. В. Дырдин, В. А. Белков // Вестник КузГТУ - №2. - 2011. - С. 19 - 21.

6. Веригин Н. Н. Линейная задача о разложении гидратов газа в пористой среде / Н. Н. Веригин, И. Л. Хабибуллин, Г. А. Халиков // Известия АН СССР, МЖГ. - 1980. - №1. - С. 174 - 177.

□Авторы статьи:

Дырдин Валерий Васильевич, докт.техн.наук, проф., зав.каф. физики КузГТУ e-mail:vvd1941 @mail.ru

Ким

Татьяна Леонидовна, ассистент каф.физики КузГТУ email: tanyakim@list. ru

Шепелева Софья Алексеевна, ассистент каф. физики КузГТУ email:vr_sonya@mail.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.