CC BY
2
21. Stratigraphic distribution of coal and methane resources in Kuzbass on 01.01.2010: svid. 2018620032 on the database of the Russian Federation; registered. 09.01.2018
22. Catalog of methane content of Kuzbass coals: svid. No. 2018620035 on the Database of the Russian Federation; registered. 09.01.2018
23. Catalog of sudden emissions of coal and gas in Kuzbass: svid. No. 2018620036 on the database; registered. 09.01.2018
24. Catalog of methane capacity of Kuzbass coals: svid. No. 2018620264 on the Database of the Russian Federation; registered. 13.02.2018
25. Oparin V.N., Kiryaeva T.A. Operator of Connection Between the Langmuir Equation and Oparin's Kinematic Equation for Pendulum-Type Waves. Part I. In: Solovev D.B., Savaley V.V., Bekker A.T., Petukhov V.I. (eds). Proceeding of the International Science and Technology Conference "FarEastCon 2021". Smart Innovation, Systems and Technologies. 2022. Vol. 275. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-16-8829-4_1.
26. Regularities of two-phase gas flow under coal and gas outbursts in mines / A. T. Zhou, K. Wang, T. A. Kiryaeva, V. N. Oparin // Journal of Min-ing Science. 2017. Vol. 53. No 3. Pp. 533 - 543.
УДК 556.3:550.348
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ
И ГАЗООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДНОГО РЯДА
В.Н. Опарин, Т. А. Киряева, А.Н. Качурин, В.Ф. Юшкин
В канонической шкале иерархических представлений В.Н. Опарина впервые введен и успешно верифицирован А.С. Танайно обобщенный показатель количественного описания петрографических свойств углей, с использованием которого дана классификация и описано распределение петрографических групп угольных пластов районов Кузбасса. Это имеет важное значение не только для картирования участков шахтных полей при выделении потенциально опасных зон по выбросам угля, пород и газа, но и для геотехнологического зонирования по важнейшим физико-химическим свойствам продуктивных свойств разрабатываемых породных массивах.
Ключевые слова: геомеханические и газообменные процессы, метан, угольный пласт, метаноносность, изотерма сорбции метана, выход летучих веществ, волны маятникового типа.
В основу выполненного комплекса исследований была положена методика проверки гипотезы В.Н. Опарина о «геокрекинговом» механизме возникновения месторождений углеводородного ряда.
Идея работы заключалась в том, что энергетические изменения состояния угольного вещества в выбросоопасных угольных пластах проявляется как для широкого диапазона глубин их залегания (а значит, и горного давления), так и марочного состава углей (а значит, и степени их метамор-
физма), определяемого вещественным составом «исходных» органогенно-насыщенных пластов и баро-термальными условиями их превращения в соответствующий период геологического времени.
В качестве информационной основы исследований служила электронная база данных по 15600 пластопересечениям 11 месторождений Кузбасса, охватывающая все стратиграфические структуры бассейна, в которую заложены как геологоразведочные данные: глубина залегания пласта: 30 м < Н < 1050 м; выход летучих веществ: 7 % < < 45 %; влажность: 0,7 % < Ж < 9 %; пористость: 1,3 % < П < 30 %; метаноносность, петрографический состав, так и определяемые показатели, например, сорбционной способности угля по отношению к метану.
При рассмотрении газодинамической реакции угольного пласта на технологическое воздействие как следствие реализации энергетического потенциала двухкомпонентной среды при смене метастабиль-ных состояний была необходима количественная градация газодинамической активности углеметанового пласта.
Рассматривая эти вопросы применительно к пожаро- и выбросо-опасности угольных пластов, важно знать механизм их подготовки и протекания во времени и пространстве. Несомненна при этом большая роль механизмов трансформации «избыточной» упругой энергии от горного давления в заданном поле температур в кинетическую энергию движения структурных отдельностей в многофазных геосредах. В работе [7] нами показано, что на самом деле пожаро- и выбросоопасность угольных пластов есть следствие единого геомеханико-термодинамического и физико-химического процесса, происходящего в угольных пластах при их отработке. В определенном смысле он должен быть квазиобратимым к тем энергомассообменным процессам, что испытали исходные органогенно-насыщенные осадочные отложения в геологический отрезок времени их формирования по стадиям метаморфизма. По представлениям В. Н. Опарина, в основе формирования месторождений углеводородного ряда (графит ^ угли ^ асфальтены ^ нефть ^ газ...), сопряженного с магматическими месторождениями, лежит единый геомеханико-термодинамический и физико-химический процесс (геокрекинговый механизм), реализовавшийся в известные крупные тектоно-магматические эпохи истории развития Земли [1-31].
Энергия полураспада углеметана определяет состояние углемета-на при переходе его из одного метастабильного состояния в другое при изменении метаноносности в 2 раза.
Вся выборка данных по Кузбассу была разделена на подсерии и свиты. Для каждой из них определялись границы только максимальных
для соответствующей глубины значений метаноносности Х по уравнению Ленгмюра, исходя из которых рассчитывались коэффициенты А и В (табл. 1). Параметры А и В являются функциями выхода летучих веществ, т. е. учитывают марочный состав углей:
X = ABS /(1 + BS) м3/т; (1)
103A = -0,1017(vdaf) + 4,979Vdaf +11,043 м3/кг; (2)
106В = 0,00019• (Vdaf) -0,0097• Vdaf + 0,174 10-6 (1/Па), (3)
где Х - максимальная метаноносность пласта, м3/т; А - предельная метано-носность, м3/т; В - коэффициент метаноносности, 1/МПа; = 0,25Н, МПа; Н - глубина залегания угольного пласта, м; Vсреднее значение выхода летучих веществ на глубине 100 м, %.
Тогда энергию полураспада углеметана можно определить следующим образом:
Е = 0,25 А кДж/кг . (4)
В
На рис. 1 прказано изменение метаноносности углеметановых пластов Кузбасса с глубиной их залегания; на рис. 8 — распределение значений удельной энергии релаксации метаноносности углей Кузбасса по его стратиграфическим структурам.
Выполненный анализ показал, что значения удельной энергии полураспада углеметана существенно зависят от расстояния до «маг-матогенного» Таштагольского рудного узла.
Все районы Кузнецкого угольного бассейна можно разделить на 3 группы (рис. 2, табл. 1, 2):
Первая-наиболее удаленные от Таштагола районы Кемеровский и Анжерский, имеющие максимальную удельную энергию релаксации метаноносности -130...180 кДж/кг. На этих территориях находились в середине и конце прошлого века (1947 - 1990 гг.) ныне закрытые, самые вы-бросоопасные шахты Кузбасса. Количество газодинамический явлений (ГДЯ) в них достигло 219 случаев.
Вторая группа - районы, имеющие минимальную удельную энергию релаксации метаноносности ~50-80 кДж/кг. В настоящее время здесь сосредоточены все основные работающие шахты. Число ГДЯ на этих шахтах минимальное (70) из 3 групп районов и в основном происходило в 70 -90-х годах прошлого века.
40 н
г
X
20
10 0
0 200 400 600 н,м 1000
* илышская подсерия о ерунаковская подсерия
10 0
0 200 400 600 Н, М Ю00
* верхнебалахонская подсерия о нижнебалахонская подсерия
Рис. 2. Изменение метаноносности углеметановых пластов Кузбасса с глубиной их залегания: а - кольчугинской серии; б - балахонской серии
200
г*--■тг4--- ------
гяубина, ы 250 500 150 250 250 500 500 700
Рис. 2. Изменение удельной энергии релаксации метаноносности углей Кузбасса (в Дж/кгугля): 1 - 4 - подсерии: 1 - Верхнебалахонская; 2 - Нижнебалахонская; 3 - Ильинская; 4 - Ерунаковская
Третья группа - самые близлежащие к Таштаголу районы. Расположенные на них шахты также имеют высокую удельную энергию релаксации метаноносности -100...140 кДж/кг, но только 2 из них в Томь-Усинском районе имеют эту энергию в пределах 180 кДж/кг.
Таблица 1
Стратиграфические структуры шахт Кузбасса
№ шахты Район Кузбасса Месторождение Подсерия Свиты пластов шахты уМ % ' Возраст свит, млн лет
1 Кондомский Алардинское Верхнебалахонская Кемеровская, Ишановская, Промежуточная 13,1 275,4
2 Томь-Усинский Ольжерасское Верхнебалахонская Усятская, Кемеровская, Ишановская 22,7 273,5
3 Томь-Усинский Ольжерасское Верхнебалахонская Усятская, Кемеровская, Ишановская 21,3 273,5
4 Кемеровский Берёзово-Бирюлинское Верхнебалахонская, Нижнебалахонская Промежуточная, Алыкаевская 31,0 307,0
5 Кемеровский Берёзово-Бирюлинское Нижнебалахонская Алыкаевская 23,0 307,0
6 Прокопьевско-Киселевский Киселёвское Верхнебалахонская Усятская, Кемеровская 30,4 271,0
7 Анжерский Анжерское Нижнебалахонская Алыкаевская 16,0 307,0
8 Кемеровский Кедровско-Крохалёвское Верхнебалахонская Кемеровская 31,9 270,6
9 Томь-Усинский Распадское Ерунаковская, Ильинская Лениская, Казанково- маркинская 35,8 269,9
10 Осиниковский Шелканское Ильинская Казанково-маркинская 35,6 270,6
11 Осиниковский Алардинское Верхнебалахонская Кемеровская, Ишановская, Промежуточная 12,6 275,6
12 Беловский Чертинское Ильинская Казанково-маркинская 38,6 268,9
13 Байдаевский Байдаевское Ерунаковская, Ильинская Ленинская, Ускатская 38,7 268,0
14 Байдаевский Байдаевское Ерунаковская, Ильинская Ленинская, Ускатская 39,3 268,0
15 Ерунаковский Соколовское Ерунаковская Ленинская 40,6 265,8
16 Ленинский Ленинское Ерунаковская, Ильинская Ленинская, Ускатская 41,1 268,0
17 Ленинский Ленинское Ерунаковская, Ильинская Грамотеинская, Ленинская, Ускатская 40,9 263,0
18 Ленинский Ленинское Ерунаковская Грамотеинская, Ленинская 43,0 260,4
19 Ленинский Егозово-Красноярское Ерунаковская Грамотеинская, Ленинская 42,2 263,0
20 Кемеровский Кемеровское Верхнебалахонская Кемеровская 24,6 271,0
21 Кемеровский Кемеровское Нижнебалахонская Промежуточная 18,9 276,0
Количество газодинамических явлений на шахтах этого района намного меньше (113), чем на шахтах первой группы районов, но это были
наиболее крупные (с количеством погибших 5 и более человек) аварии на шахтах Кузбасса [7]: ш. Ульяновская - 110 чел., Юбилейная - 39 чел., Рас-падская - 91 чел.
250 -200 ■
£
I 150 ■
^ 100 -М1
50 -0
0 100 200 300 400 Юм Районы: 1 - Кемеровский, Анжерский; 2 - Беловский, Ленинский, Ерунаковский, Байдаевский; 3 - Кондомский, Томь-Усинский, Осинниковский
Рис. 3. Газодинамические явления на угольных месторождениях Кузбасса по районам с 1947 по 2010 гг. (показаны также в табл. 2)
Таблица 2
Газодинамические явления на угольных месторождениях __Кузбасса с 1947^ по 2010 гг.__
№ района по рисунок 2.10 Месторождение Шахта Всего ГДЯ на 01.01.2010 г.
1 Анжерское Судженская 25
Анжерская 15
Березово-Бирюлинское Первомайская 33
Бирюлинская 10
Березовская 12
Кемеровское Северная 112
Ягуновская 27
Итого по 1 району 219
2 Чертинское 31
Байдаевское 13
Кемеровское 26
Итого по 2 району 70
3 Ольжерасское 10
Распадское 1
Щелканское 2
Киселевское 13
Прокопьевское 86
Итого по 3 району 113
Установленные особенности поведения данной эмпирической зависимости согласуются с выбросоопасностью основных стратиграфических структур Кузбасса. На вершине параболы расположились сравнительно молодые бурые угли кольчугинской серии с выходом летучих веществ 38...43 %, имеющие минимальную энергию полураспада углеметана. Вы-бросоопасность этих угольных пластов минимальна.
а
б
I
50 п
40 -
30 -
20 -
10 -
320
I
с ч
^ г, 3 0
240
0 100 200 300 400 Ь, 103 М
100 200 300 4001, 103 М
Рис. 4. Распределения: а - выхода летучих веществ У^; б -геологического возраста угольных пластов месторождений Кузбасса в зависимости от расстояния Ь от Таштагола
На графиках рис. 10 ветви параболы соответствуют средней стадии метаморфизма углей. Здесь расположены наиболее выбросоопасные угольные пласты балахонской серии, причем на расстоянии около ~300-400 км от Таштагола залегают угольные пласты наиболее выбросооопас-ной и «старой» по геологическому возрасту нижнебалахонской подсерии. Угольные пласты, расположенные на расстоянии до ~150 км от Таштагола также выбросоопасны, это угли кольчугинской и балахонской серий, но менее «старых» ильинской и верхнебалахонской подсерий.
Впервые проведенный комплекс обобщающих аналитических, экспериментальных лабораторных и натурных исследований на региональном уровне (Кузнецкий угольный бассейн) позволил заключить следующее.
Существует тесная статистическая связь между метаноемкостью и стадиями метаморфизма углей. Количественным показателем стадии метаморфизма углей может служить выход летучих веществ. В процессе метаморфизма каменных углей происходит их активация как сорбентов, которая выражается в усилении способности к поглощению газов, возрастающей, как правило, со стадиями метаморфизма - в направлении от газовых углей к антрацитам. Для бурых и длиннопламенных углей зависимость сорбционной способности по отношению к газам имеет несколько иной характер: по мере метаморфизации ископаемых углей жесткость скелета (матрицы) угольного вещества возрастает, а способность углей к абсорбции уменьшается.
Пористость природных углей достаточно слабо зависит от выхода летучих веществ (стадий метаморфизма): средние значения (при сравнительно высокой дисперсии данных) описываются слабо «выпуклой» функцией зависимости пористости от выхода летучих веществ. Поэтому ее влияние на выход летучих веществ практически можно не учитывать.
В результате увлажнения угольного пласта усиливается проявление его пластических свойств, понижаются соответственно прочность и скорость газовыделения. Молекулы воды обладают большим «сродством» к поверхности угля, чем молекулы метана, и присутствие воды в угле значительно снижает его сорбционную метаноемкость. Установлено, что увеличение влажности угольного пласта даже на 2 % практически вдвое снижает энергию его газовой компоненты. Следовательно, определенным образом меняя давление и длительность воздействия воды на угольный пласт, можно добиваться «торможения» газовыделения либо более интенсивно его дегазировать.
Изменение стадий метаморфизма природных углей зависит от глубины их залегания. Трендовый анализ экспериментальных данных выхода летучих веществ показал, что возрастание стадий метаморфизма природных углей происходит, преимущественно, с ростом глубины залегания угольных пластов. Отклонения от этой зависимости обусловлены особенностями геотектонического проявления регионального метаморфизма углей и геологического возраста угольных пластов.
Влияния петрографических характеристик угля на его метаноем-кость установлено не было.
Доказано, что современные геоинформационные технологии, рассчитанные на обработку больших объемов и потоков данных различного формата способны качественно менять методические подходы к получению новых закономерностей и, чаще всего, меняют уже ставшие привычными представления о взаимодействии вещественных и структурных компонент породного массива. Проведенные расчеты по различным моделям data mining [20] подтверждают друг друга и позволяют получать новые сведения о характеристиках процессов, происходящих в угольном пласте, заранее не опираясь на физические представления о них.
Таким образом, метаноемкость углей тесно связана с их физико-химическими свойствами и физико-механической структурой угольного вещества: пористостью, влажностью и выходом летучих веществ. При этом адсорбционная способность ископаемых углей существенно зависит от изменения горно-геологических условий их залегания, степени метаморфизма и геохимического состава. Способность угля поглощать и удерживать в себе газ повышается с ростом стадии метаморфизма, газового давления и понижается с увеличением температуры, влажности и зольности углей [17].
Отмеченные результаты весьма важны для понимания механизма формирования очаговых зон таких катастрофических событий, как внезапные выбросы угля и газа в подземных выработках и их возможных последствий. Об этом свидетельствует проведенный комплекс механико-математического моделирования распространения двухфазного потока из газа и пылевидного угля с учетом расширения газа на стадии развития внезапного выброса в угольной шахте. Он позволил сделать заключение об адекватности предложенного китайскими и российскими учеными метода численного моделирования [19]. Здесь было установлено, что упругая энергия угля составляет всего лишь несколько тысячных от суммарной энергии внезапного выброса, поэтому на стадии его развития данный показатель можно не учитывать. А вот основная энергия переноса угля практически полностью «генерируется» за счет энергии расширения газа.
Разработанные метод численного моделирования и оригинальная экспериментальная установка для определения закономерности затухания данного двухфазного потока ориентированы также на учет влияния энергии расширения газа и анализ динамико-кинематических характеристик распространения смеси пылевидного угля и газа.
Численное моделирование в [19] выполнено с учетом отмеченных экспериментальных данных, позволивших установить динамико-кинематические характеристики распространения ударной волны от внезапного выброса. В частности, доказано, что пылевидный уголь и газ под высоким давлением практически мгновенно выталкиваются из полости от внезапного выброса, расширяются и сжимают воздух в выработке, создавая ударные волны выброса. Приведенные выше сведения свидетельствуют о принципиальной значимости газовой компоненты и структурного строения углей для углепородных массивов в определении и прогнозировании их геомеханическо-газодинамической реакции на различного вида «внешние» динамические воздействия (источники природного или техногенного характера), где учет их термодинамического и напряженно -деформированного состояния, многофазности, блочно-иерархического строения и энергетических параметров источников развития нелинейных деформационно-волновых процессов приобретает фундаментальную значимость [4, 5, 7, 9-31].
О детерминированности связей геомеханических и физико-химических массо-газообменных процессов их аналитическом описании. Необходимо отметить, что аналитической основой для описания установленных детерминированных связей между существующими нелинейными геомеханическими и физико-химическими массо-газообменными процессами в напряженных угленосных массивах под влиянием изменяющегося термодинамического их состояния, а также природно-техногенных землетрясений, взрывов и других динамических источников явилось установление В.Н. Опариным операторного отображения физико-химического
уравнения И. Ленгмюра на кинематическое уравнение В.Н. Опарина для волн маятникового типа в [16]: оператора продолжения во временную область характеризующую динамику анализируемого физико-химического процесса.
Принципиально важным результатом экспериментально-теоретических исследований и анализа натурных данных явилось доказательство в [19] того факта, что существует детерминированная связь между нелинейными деформационно-волновыми процессами, индуцируемыми природно-техногенными землетрясениями, распространяющимися в породных массивах в виде пакетов волн маятникового типа «квазиметрового» скоростного диапазона (менее 5 м/с), и режимами повышенной «осциллирующего вида» газодинамической активности в угольных шахтах Кузбасса. Это позволило авторам впервые предложить методологию и методику комплексного геомеханико-газодинамического мониторинга катастрофических событий (рис. 5, 6) с включением информационных каналов систем автоматизированного газового контроля (АГК), которыми оснащены практически все угольные шахты, но до сих пор не используются в мониторинговых системах прогнозирования катастрофических событий, индуцированных землетрясениями и мощными технологическими взрывами на шахтах и угледобывающих карьерах, в том числе и Кузбасса. На рис. 11 распределение количества взрывов (внемасштабно) приведено по усредненным данным за последнее десятилетие Д.В. Яковлевым, Т.И. Лазаревич и С.В. Цирелем [31].
Отмеченные выше научные результаты также имеют непосредственное отношение и к разработке перспективных энергосберегающих «геотехнологий будущего» при освоении глубоких горизонтов органо -минерального сырья.
(15 гсчшшс ДОДСЛи)
Рис. 5. Влияние волн маятникового типа на временной сдвиг мод в распределениях сейсмических событий (1) и массовых взрывов (2) на угольных разрезах Кузбасса в течение недели. Распределение количества взрывов (внемасштабно) приведено по усредненным данным за последнее десятилетие по [32]
Рис. 6. Влияние волн маятникового типа на метановыделение по датчикам метана, «Шахта Алардинская»: демонтажная камера
6-1 -11, куток (а); фланговый конвейерный бремсберг пл.6 (со сб.3 «фланг»), исходящий поток (б)
Мировая практика показывает [12, 16, 17, 25-31, 34, 35 и др.], что современные технологии дегазации продуктивных пластов недостаточно безопасны для эффективной отработки угольных месторождений, вызывая необходимость развития новых подходов к решению данной проблемы. Но для этого требуется более глубокое изучение механизмов и особенностей развития массо-газообменных процессов в напряженных угольных пластах, чтобы создать надежные мониторинговые системы диагностики и прогнозирования катастрофических событий при отработке угольных пластов на больших глубинах (внезапные выбросы угля и газа, подземные пожары), предложить эффективные меры по их профилактике. Здесь необходимо адекватное физическое моделирование взаимодействия термодинамических и физико-химических процессов в многофазных угле-метановых пластах по мере роста температуры и горного давления с увеличением глубины освоения угольных месторождений [15, 16, 18].
Так, в последние годы российскими и зарубежными учеными активно развиваются представления о свойствах углеметанового пласта как твердого углегазового раствора [17, 28]. Процесс распада углеметана на уголь и метан протекает с выделением упругой энергии, приводящей не только к динамическому разрушению собственно угля, но и к выносу его значительного объема в горную выработку потоком выделяющегося газа [26]. Как отмечено здесь, динамика развития геомеханических процессов в
многофазных органоминеральных геосредах определяется не только свойствами твердых компонентов полезных ископаемых, но и соотношениями между внутренней упругой энергией содержащихся в них жидкости и газа и внешней упругой энергией, связанной с изменяющимися глобальными геодинамическими и «локальными» геомеханическими полями (напряженно-деформированным состоянием породных массивов за счет ведения горных работ).
Отмеченные проблемы, в силу их фундаментальности, в настоящее время могут решаться как с учетом наличия уже весьма обширного натурного экспериментального материала [12, 20 - 24], так и на базе современных и развития новых методов комплексного анализа взаимодействия определяющих факторов органо-минерального геовещества в сложных массообменных процессах, связанных с извлечением полезных ископаемых из напряженных, вообще говоря, многофазных массивов горных пород в изменяющемся поле температур [16, 17]. Поэтому разработка методов комплексного анализа геомеханического состояния угольных образцов, в которых роль газа (метана) является одной из основных, в сочетании с данными натурных наблюдений, способны значительно расширить теоретические возможности для принятия безопасных и эффективных технологических решений по угледобыче. Совокупность полученных новых знаний позволит более детально и глубоко рассмотреть реакцию газовой компоненты отрабатываемого угольного пласта на изменение геомеханической обстановки в массиве горных пород для повышения безопасности и энергоэффективности новых технологических решений.
Так, в ИГД СО РАН и КузГТУ в развитие феноменологических основ теории взаимодействия между геомеханическими, тепловыми и физико-химическими процессами в метаноносных угольных пластах Кузбасса при их отработке выполнен достаточно большой комплекс лабораторных и натурных исследований [12, 17, 31], в т.ч. и на специальном стенде по испытанию угольных образцов различной стадии метаморфизма на одноосное жесткое нагружение до разрушения со скоростью ~3,3 10-6 м/с в сравнении с натурными экспериментальными данными по угольным месторождениям. В частности, представлены зависимости от давления изменения температуры образцов угля и охватывающих их гранитных прослоек с использованием высокоточного сканирующего компьютерного тепловизора. Установлена связь изменений температуры образцов угля при их нагружении до разрушения с выходом летучих веществ и предельной внутренней энергией релаксации метаноносности угольных пластов месторождений Кузбасса.
Суть важно, что совместное с тепловизионным использование лазерного измерительного комплекса АЬМЕС-Гу по высокоточному и детальному контролю спекл-методом деформационно-волновой картины на сканируемых образцах угля в процессе их нагружения позволило впервые
доказать гипотезу В.Н. Опарина о возможности возникновения нелинейных - «маятникового типа» - движений структурных элементов в угольных образцах в изменяющемся поле температур. Это имеет принципиальное значение для осуществления не учитываемых ранее массо-газообменных процессов в напряженных угольных пластах различного марочного состава при их отработке через соответствующий им «поршневой» механизм [25], где велика роль связи между «постадийной» структурой диаграммы времени нагружения образцов геоматериалов до разрушения с запредельной ее областью и диаграмм, сопутствующих микродеформаций с их амплитудно-частотными характеристиками. Практически то же наблюдается в характере распространения сейсмических энер-гоэммиссионных процессов от очаговых зон технологических взрывов. Эти ключевые положения проиллюстрированы на рис. 7 - 12.
Рис. 7. Изменение относительной (к продольной) скорости распространения маятниковых волн в зависимости от и скорости распространения в породных массивах продольных волн при
= 3000м/с (а) и = 6000м/с (б): 1-у=10~4; 2-у = 510~4; 3-у = 10~3; 4-у = 510~3; 5-у = 10~2;
6 - V=210- 2; 7 - V = 410- 2 [16,18]
Процесс нагружения условно разделен на 4 стадии (рис. 15): 1, 2 — возрастающая нагрузка (1 - до 0.5 пиковой нагрузки; 2 - до пиковой нагрузки); 3 - постпиковый участок; 4 - участок остаточной прочности. Для каждого участка - стадии нагружения - и для отдельных фрагментов рабочей поверхности образца построены деформационно-волновые пакеты по осредненным компонентам микродеформаций ех и е . С помощью пре-
образования Фурье определены соответствующие им амплитудно-частотные характеристики.
100 125 150 175 Е, кДж/кг
Рис. 8. «Поршневой механизм» возникновения нелинейных массогазообменных процессов в напряженныхуглепородных геоматериалах (пояснения в тексте) по [17]
Рис. 9. Постадийная (1, 2, 3, 4) диаграмма зависимости напряжения
от времени нагружения образца
Рис. 10. Диаграмма средней микродеформации элементарного участка (фрагмента) поверхности образца в продольном (х) направлении - вдоль оси нагружения по [16]
Рис. 11. Амплитудно-частотная характеристика для продольной компоненты микродеформации по стадиям деформирования: 1 - (а); 2 - (б); 3 - (в); 4 - (г); стадии 1 - 4 нагружения даны согласно рис. 9
Рис. 12. Характерное изменение во времени расстояния до очагов индуцированных сейсмособытий от центра взрываемых блоков (а) и гистограмма распределения ординат экспериментальных точек сканирующих функций гЕ (£, г) для совокупности взорванных блоков (б) при т = 5 ч
Установленные закономерности позволили также заключить, что при отработке месторождений углеметановые пласты «генетически» способны при определенных геомеханических и термофизических условиях сформировать газодинамический возмущающий импульс от внутренних напряжений, достаточный для развития процессов их саморазрушения с сопутствующими выбросами угля и газа. Таким образом, достигнутые за последнее десятилетие экспериментальные результаты изучения особенностей развития массогазообменных процессов в углепородных геоматериалах непосредственно связаны с путями решения фундаментальных проблем геомеханики и рудничной аэрогазодинамики при подземной разработке угольных месторождений, содержащих энергетически значи-
мую газовую компоненту, представляющую опасность по катастрофическому развитию техногенных процессов [12, 17, 26, 31].
Однако важно при этом обратить особое внимание и на конструктивное применение получаемых новых знаний в собственно прикладном аспекте, связанном с энергоэффективностью и экологичностью принимаемых геотехнологических решений освоения месторождений углеводородного ряда.
В этой связи А.С. Танайно разработан новый метод оценки потенциальной сопротивляемости горных пород их разрушению безразмерным показателем [10] (F), основанный на канонической зависимости, учитывающей такие свойства горных пород, как: as - предел прочности породы на сжатие, МПа; dz - средний диаметр зерна, мм; m - пористость, %; S - приведенная твердость породообразующих минералов, слагающих конкретную породу, по отношению к кварцу, ед.; - средний размер естественной отдельности в массиве, см. Этот параметр описывается логарифмической формулой
F = Jü + JZ + Jm + JQ + JT =
= 2,885 • Ln (üs ) + Ln (dz ) + Ln (m) + Ln (S ) + Ln (Д) +14,7. (5)
Этот метод позволил предложить универсальную классификацию потенциальной сопротивляемости горных пород разрушению в канонической шкале структурно-иерархических представлений В.Н. Опарина и вывести аналитическую зависимость между классами пород по сопротивляемости разрушению (JR) и показателям F:
J R= 2,885F-3,543; 4 < F < 64; F=3,414 • exp(0,3466JrR (6)
С применением формулы (6) были решены следующие задачи.
Установлена формализованная универсальная связь существующих классификаций горных пород по прочностным показателям в канонической шкале структурно-иерархических представлений:
/ *\N-J
Z min J = ZN / (^ ) , (7)
^max J =M- • ZminJ . (8)
Здесь ZN - значение классифицируемого показателя в N-м классе соответствующей классификации (1 <N<A4); М - номер максимального класса;
— v'2; Zminj, ZmaxJ - минимальный и максимальный пределы значений прочностных свойств в J-м классе прочности соответствующей классификации. Принадлежность породы к J-му классу прочности в канонической шкале при заданном значении показателя прочности Z определяется согласно зависимостям:
J = 2,885 [ Ln (Z)- Ln (а = 4/16)], (9)
а = 0,5 {Z min (M) + Z max (M)] ■ (10)
Показано, что шкалы существующих классификаций горных пород по прочностным показателям обладают определенной общностью, несмотря на то, что получены экспериментальными методами, отличающимися различными механическими воздействиями [10].
Получена зависимость принципа «квантования» классифицируемых показателей в существующих классификациях в зависимости от классов прочности:
Z min J = b * eXP ( k * J) > Z max J = Z min J > (11)
^ = Z min J + 1/ Z min J > (12)
k - 2(Z max J —Z min J ) / Z maxJ+Z min J' (13)
¿ = Zimn//exp(*). (14)
Здесь ZminI - минимальный предел значения прочностных свойств в 1-м классе прочности пород соответствующей классификации; 2тг-„м, Z...... г - соответственно минимальный и максимальный пределы значений
прочностных свойств в последнем классе прочности. Принадлежность породы к J-му классу прочности в соответствующей классификации определяется согласно зависимости
J = [ Ln (Z ) - Ln (b )] • k_1, (15)
где Z - значение прочностного показателя.
Формулы (6) и (15) показывают, что установленное единообразие в канонической шкале структурно-иерархических распределений размеров геоблоков в горном массиве и структурных элементов геоматериалов, с одной стороны, а также классификаций горных пород по прочностным показателям, с другой стороны, свидетельствует о «глубинной» связи между физико-механическими свойствами горных пород и массивов с их структурно-иерархическим строением.
Таким образом, в канонической шкале иерархических представлений В.Н. Опарина [10] впервые введен и успешно верифицирован А.С. Та-найно обобщенный показатель количественного описания петрографических свойств углей, с использованием которого дана классификация и описано распределение петрографических групп угольных пластов районов Кузбасса. Это имеет практически важное значение не только для картирования участков шахтных полей при выделении потенциально опасных зон по выбросам угля, пород и газа [17], но и для геотехнологического «зонирования» по важнейшим физико-химическим свойствам продуктивных свойств разрабатываемых породных массивах.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-17-00148, https://rscf.ru/project/23-17-00148/.
Список литературы
1. Геомеханические поля и процессы: экспериментально-аналитические исследования формирования и развития очаговых зон катастрофических событий в горнотехнических и природных системах / В.Н. Опарин [и др.]. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2018. Т. 1. 549 с.; 2019. Т. 2. 546 с. DOI 10.15372/GEOMECHANICAL 2019 OVN.
2. Новые методы и информационные технологии в экспериментальной геомеханике / В.Н. Опарин, Т.А. Киряева, В.П. Потапов, В.Ф. Юшкин. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2021. 292 с. DOI 10.53954/9785604642856.
3. Oparin V.N. Theoretical fundamentals to describe interaction of geo-mechanical and physicochemical processes in coal seams // Journal of Mining Science. 2017. Vol. 53. № 2. Р. 201 - 215.
4. Опарин В. Н., Симонов В.Ф. О нелинейных деформационно -волновых процессах в виброволновых технологиях освоения нефтегазовых месторождений // ФШРПИ. 2010. № 2. Р. 3 - 25.
5. Oparin V.N. Pendulum waves and basics of «geomechanical thermodynamics» // Geohazard Mechanics. 2022. № 1. Р. 38 - 52.
6. Киряева Т. А. Разработка методов энергетического анализа и прогнозирования газодинамической активности углеметановых пластов Кузбасса. Riga, Latvia: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2019. 332 р.
7. Adushkin V. V., Oparin V. N. From the Alternating-Sign Explosion Response of Rocks to the Pendulum Waves in Stressed Media // J. Min. Sci., P. I: 2012. Vol. 48. No. 2. Р. 203-222; P. II: 2013. Vol. 49. No. 2. Р. 175-209; P. III: 2014. Vol. 50. No. 4. Р. 623-645; P. IV: 2016. Vol. 52. No. 1. Р. 1 - 35.
8. Effect of pendulum waves from earthquakes on gas-dynamic behavior of coal seams in Kuzbass / V. N.Oparin [and others] // Journal of Mining Science. 2018. Vol. 54. No 1. P. 3 - 14.
9. Региональная кластеризация угольных месторождений Кузбасса по газодинамической активности / В. Н. Опарин, В. В. Адушкин, Т. А. Киряева, В. П. Потапов // Горный информационно-аналитический бюллетень. Ч. I. 2018. № 9. С. 5-24. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-9-0-5-24; Ч. II. 2018. № 10. С. 5-29. DOI: 10.25018/02361493-2018-10-0-5-29.
10. Стратиграфическое распределение ресурсов угля и метана в Кузбассе на 01.01.2010 г.: свид. 2018620032 на БД РФ; зарегистр. 09.01.2018 г.
11. Каталог метаноносности углей Кузбасса: свид. № 2018620035 на БД РФ; зарегистр. 09.01.2018 г.
12. Каталог внезапных выбросов угля и газа в Кузбассе: свид. № 2018620036 на БД; зарегистр. 09.01.2018 г.
13. Каталог метаноемкости углей Кузбасса: свид. № 2018620264 на БД РФ; зарегистр. 13.02.2018 г.
14. Oparin V.N., Kiryaeva T.A. Operator of Connection Between the Langmuir Equation and Oparin's Kinematic Equation for Pendulum-Type Waves. Part I. In: Solovev D.B., Savaley V.V., Bekker A.T., Petukhov V.I. (eds). Proceeding of the International Science and Technology Conference "FarEastCon 2021". Smart Innovation, Systems and Technologies, 2022. Vol 275. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-16-8829-4 1.
15. Regularities of two-phase gas flow under coal and gas outbursts in mines / A. T. Zhou, K. Wang, T. A. Kiryaeva, V. N. Oparin // Journal of Mining Science. 2017. Vol. 53. No 3. Pp. 533 - 543.
17. Effect of block medium parameters on energy dissipation / K. X. Wang [and others] // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2019. Vol. 60. No 5. Pp. 926 - 934.
18. Свойство органического вещества угля образовывать с газами метастабильные однофазные системы по типу твердых растворов / А. Д. Алексеев [и др.]: научное открытие. РАЕН. Диплом № 9. 1994.
19. Изменение микроструктуры ископаемых углей в результате внезапных выбросов угля и газа / О. Н. Малинникова, Е. В. Ульянова, М. О. Долгова, И. В. Зверев // Горный журнал. 2017. № 11. С. 27 - 32.
20. Природа метаногенерации в угольных пластах / А. П. Шпак [и др.] // Доповщ Нащонально! академп наук Украши. 2012. № 6. С. 105-110.
21. The role of structure defects in the deformation of anthracite and their influence on the macromolecular structure / Y. Han [and others] // Fuel. 2017. Vol. 206. Р. 1 - 9.
32. Яковлев Д.В., Лазаревич Т.И.,Цирель С.В. Природно-техническая сейсмичность Кузбасса // ФТПРПИ. 1013. № 6. С. 20-34.
23. Райс Дж. Механика очага землетрясений. М.: Мир, 1982. 217 с.
24. Possible effect of main roof settlement on outburst hazard in case of gas hydrate dissociation during coal mining / V. V. Dyrdin [and others] // J. of Mining Sci. 2017. Vol. 53. No. 5. Pр. 801 - 810.
25. Смирнов В. Г., Дырдин В. В., Опарин В. Н. Роль разложения газовых гидратов в формировании внезапных выбросов угля и газа // Горный журнал. 2020. № 4. С. 65 - 70.
26. Effect of large-scale blasting on spectrum of seismic waves in a stone quarry / V. N. Oparin [and others] // Journal of Mining Science. 2014. Vol. 50. No 5. Pp. 865 - 877.
27. Energy transfer in block-rock mass during propagation of pendulum-type waves / Wang Kaixing, Pan Yishan, Oparin V. N., Dou Linming // Chinese J. Geotech. Eng. 2016. Vol. 38. No 12. Pp. 2309 - 2314.
28. Aerodinamic modes of operator ventilation sistems of preparatory workings / N.M. Kachurin, G.V. Stas, A.N. Kachurin, V.P. Stas // Jzvestiya Tula state University. Earth sciences. 2018. № 3. P. 197-209.
29. Kachurin N.M., Ermakov A. Yu., Senkus V.V. Theoretical substauti-ation of the phenomenological law of resistance during gas filtration in a moun-
tain range // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2018. № 7. Р. 61 - 68.
30. Assessment of gas exchange of the under-uorked territories of coal basins of Russia uith the atmosphere / N.M. Kachurin, T.V. Korchagina, A.N. Kachurin, R.V. Sidorov // Jzvestiya Tula State University. Earth sciences. 2021. № 1. P. 390 - 302.
31. The stress-strain state of the mountain massif and suppore during the construction of undergrounl structures / N.M. Kachurin, E.J. Zakharov, D.A. Soloviev, R.A. Soloviev // Jzvestiya Tula state University. Earth sciences. 2022. № 1. Pp. 355 - 362.
Опарин Виктор Николаевич, член-корр. РАН, д-р физ.-мат. наук, проф., зав. отделом, oparinamisd. ru, Россия, Новосибирск, Институт горного дела им. Н.А. Чи-накала Сибирского отделения Российской академии наук,
Киряева Татьяна Анатольевна, д-р техн. наук, ст. науч. сотр., coalmet-ana mail.ru, Россия, Новосибирск, Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук,
Качурин Александр Николаевич, канд. техн. наук, инженер, ecology tsu tulaa, mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Юшкин Владимир Федорович, д-р техн. наук, вед. науч. сотр., l14 <l14@ngs.ru>, Россия, Новосибирск, Институт горного дела им. Н. А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук
INTERACTIONS OF NONLINEAR GEOMECHANICAL AND GAS EXCHANGE PROCESSES DURING EXHAUSTMENT HYDROCARBON FIELDS
V.N. Oparin, T. A. Kiryaeva, A.N. Kachurin, V.F. Yushkin
In the canonical scale of hierarchical representations V.N. Oparin was first introduced and successfully verified by A.S. Tanaino is a generalized indicator of a quantitative description of the petrographic properties of coals, using which a classification is given and the distribution of petrographic groups of coal seams in the Kuzbass regions is described. This is important not only for mapping sections of mine fields when identifying potentially hazardous zones for emissions of coal, rocks and gas, but also for geotechnological zoning based on the most important physical and chemical properties of the productive properties of the rock massifs being mined.
Key words: geomechanical and gas exchange processes, methane, coal seam, methane content, methane sorption isotherm, release of volatile substances, pendulum waves.
Oparin Victor Nikolaevich, corresponding member RAS, doctor of physics and mathematics sci., professor, head of the department, oparin@misd.ru, Russia, Novosibirsk, China-kal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Science,
Kiryaeva Tatyana Anatolyevna, doctor of technical sciences, senior researcher, caalmetan@ jvail.ru , Russia, Novosibirsk, Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Science,
Kachurin Alexander Nikolaevich, cand. of techn. sciences, engineer, ecology _tsu_tula@, mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Yushkin Vladimir Fedorovich, doctor of technical sciences, leading researcher, l14@ngs.ru, Russia, Novosibirsk, Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences
Reference
1. Geomechanical fields and processes: experimental and analytical studies of the formation and development of focal zones of catastrophic events in mining and natural systems / V.N. Oparin [et al.]. Novosibirsk: Publishing House of SB RAS, 2018. Vol. 1. 549 p.; 2019. Vol. 2. 546 p. DOI 10.15372/GEOMECHANICAL 2019 OVN.
2. New methods and information technologies in experimental geomechanics / V.N. Oparin, T.A. Kiryaeva, V.P. Potapov, V.F. Yushkin. Novosibirsk: Publishing House of SB RAS, 2021. 292 p. DOI 10.53954/9785604642856.
3. Oparin V.N. Theoretical fundamentals to describe interaction of geo-mechanical and physicochemical processes in coal seams // Journal of Mining Science. 2017. Vol. 53. No. 2. P. 201 - 215.
4. Oparin V. N., Simonov V.F. On nonlinear deformation-wave processes in vibro-wave technologies for the development of oil and gas fields // FTPRPI. 2010. No. 2. p. 3 - 25.
5. Oparin V.N. Pendulum waves and basics of "geomechanical thermo-dynamics" // Geohazard Mechanics. 2022. No. 1. p. 38 - 52.
6. Kiryaeva T. A. Development of methods of energy analysis and forecasting of gas-dynamic activity of coal-methane formations of Kuzbass. Riga, Latvia: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2019. 332 p.
7. Adushkin V. V., Oparin V. N. From the Alternating-Sign Explosion Response of Rocks to the Pendulum Waves in Stressed Media // J. Min. Sci., P. I: 2012. Vol. 48. No. 2. pp. 203-222; P. II: 2013. Vol. 49. No. 2. p. 175-209; P. III: 2014. Vol. 50. No. 4. p. 623-645; P. IV: 2016. Vol. 52. No. 1. p. 1 - 35.
8. Effect of pendulum waves from earthquakes on gas-dynamic behavior of coal seams in Kuzbass / V. N.Oparin [and others] // Journal of Mining Science. 2018. Vol. 54. No. 1. P. 3 - 14.
9. Regional clustering of Kuzbass coal deposits by gas dynamic activity / V. N. Oparin, V. V. Adushkin, T. A. Kiryaeva, V. P. Potapov // Mining Information and Analytical Bulletin. Ch. I. 2018. No. 9. pp. 5-24. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-9-0-5-24; Part II. 2018. No. 10. pp. 5-29. DOI: 10.25018/02361493-2018-10-0-5-29.
10. Stratigraphic distribution of coal and methane resources in Kuzbass on 01.01.2010: svid. 2018620032 on the database of the Russian Federation; registered. 09.01.2018
11. Catalog of methane content of Kuzbass coals: svid. No. 2018620035 on the Database of the Russian Federation; registered. 09.01.2018
12. Catalog of sudden emissions of coal and gas in Kuzbass: svid. No. 2018620036 on the database; registered. 09.01.2018
13. Catalog of methane capacity of Kuzbass coals: svid. No. 2018620264 on the Database of the Russian Federation; registered. 13.02.2018
14. Oparin V.N., Kiryaeva T.A. Operator of Connection Between the Langmuir Equation and Oparin's Kinematic Equation for Pendulum-Type Waves. Part I. In: Solovev D.B., Savaley V.V., Bekker A.T., Petukhov V.I. (eds). Proceeding of the International Science and Technology Conference "FarEastCon 2021". Smart Innovation, Systems and Technologies, 2022. Vol 275. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-16-8829-4_1.
15. Regularities of two-phase gas flow under coal and gas outbursts in mines / A. T. Zhou, K. Wang, T. A. Kiryaeva, V. N. Oparin // Journal of Min-ing Science. 2017. Vol. 53. No 3. Pp. 533 - 543.
17. Effect of block medium parameters on energy dissipation / K. X. Wang [and others] // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2019. Vol. 60. No 5. Pp. 926 -934.
18. The property of the organic matter of coal to form metastable single-phase systems with gases according to the type of solid solutions / A. D. Alekseev [et al.]: scientific discovery. RAEN. Diploma No. 9. 1994.
19. Changes in the microstructure of fossil coals as a result of sudden emissions of coal and gas / O. N. Malinnikova, E. V. Ulyanova, M. O. Dolgova, I. V. Zverev // Mining Journal. 2017. No. 11. pp. 27 - 32.
20. The nature of methanogeneration in coal seams / A. P. Shpak [et al.] // Dopovidi National Academy of Sciences of Ukraine. 2012. No. 6. pp. 105-110.
21. The role of structure defects in the deformation of anthracite and their influence on the macromolecular structure / Y. Han [and others] // Fuel. 2017. Vol. 206. p. 1-9.
32. Yakovlev D.V., Lazarevich T.I., Tsirel S.V. Natural and technical seismicity of Kuzbass // FTPRPI. 1013. No. 6. pp. 20-34.
23. Rice J. Mechanics of the earthquake hearth. Moscow: Mir, 1982. 217 p.
24. Possible effect of main roof settlement on outburst hazard in case of gas hydrate dissociation during coal mining / V. V. Dyrdin [and others] // J. of Mining Sci. 2017. Vol. 53. No. 5. Pp. 801 - 810.
25. Smirnov V. G., Dyrdin V. V., Oparin V. N. The role of decomposition of gas hydrates in the formation of sudden emissions of coal and gas // Mining Journal. 2020. No. 4. pp. 65-70.
26. Effect of large-scale blasting on spectrum of seismic waves in a stone quarry / V. N. Oparin [and others] // Journal of Mining Science. 2014. Vol. 50. No 5. Pp. 865 - 877.
27. Energy transfer in block-rock mass during propagation of pendulum-type waves / Wang Kaixing, Pan Yishan, Oparin V. N., Dou Linming // Chinese J. Geotech. Eng. 2016. Vol. 38. No 12. Pp. 2309 - 2314.
28. Aerodinamic modes of operator ventilation systems of preparatory workings / N.M. Kachurin, G.V. Stas, A.N. Kachurin, V.P. Stas // Jzvestiya Tula state University. Earth sciences. 2018. № 3. Pp. 197-209.
29. Kachurin N.M., Ermakov A. Yu., Senkus V.V. Theoretical substautiation of the phenomenological law of resistance during gas filtration in a mountain range // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2018. No. 7. Pp. 61 - 68.
30. Assessment of gas exchange of the under-uorked territories of coal basins of Russia uith the atmosphere / N.M. Kachurin, T.V. Korchagina, A.N. Kachurin, R.V. Sidorov // Jzvestiya Tula state University. Earth sciences. 2021. № 1. Pp. 390 - 302.
31. The stress-strain state of the mountain massif and suppore during the construction of undergrounl structures / N.M. Kachurin, E.J. Zakharov, D.A. Soloviev, R.A. Soloviev // Jzvestiya Tula state University. Earth sciences. 2022. № 1. Pp. 355 - 362.
УДК 622.414.4
