Б01: 10.12731/^^-2014-2.1-26 УДК 004.942:622.23
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТАНА
ПРИ ОТРАБОТКЕ СВИТЫ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Цветков А.Б., Павлова Л.Д.
Целью работы является прогнозирование параметров газового коллектора в выработанном пространстве по результатам численного моделирования для управления миграцией метана из выработанного пространства в горные выработки.
Предметом исследований являются закономерности формирования газового коллектора при изменении объема пор в породах под влиянием деформаций.
Для оценки объема выделившегося газа в очистное выработанное пространство проводится численное моделирование напряженно-деформированного состояния исследуемого участка на основе метода конечных элементов с применением разработанного авторами алгоритма и комплекса программ.
Результатами исследований являются формы и границы газового коллектора, относительное метаносодержание в частично дезинтегрированных горных породах, объем метана в газовом коллекторе.
Практическая ценность полученных результатов состоит в возможности прогнозирования параметров газового коллектора на этапе создания проектной документации для отработки свиты угольных пластов.
По результатам исследований установлена зависимость между поступающим в очистное выработанное пространство объемом газа и отношением газоносности угля и пород.
Ключевые слова: метод конечных элементов, численное моделирование, напряжения, коэффициент остаточной прочности, газоносные угольные пласты, газовый коллектор, объем газа.
NUMERICAL SIMULATION OF METHANE DISTRIBUTION DURING WORKING OUT THE SUITE OF COAL LAYERS
Tsvetkov A.B., Pavlova L.D.
The purpose of the work is forecasting the parameters of a gas collector in goaf according to the results of numerical simulation for handling methane migration from goaf into excavations.
The subject of the research is the regularities of a gas collector formation at change of pore volume in rocks under the influence of deformations.
To estimate the volume of gas released in goaf numerical simulation of the stress-strain state of the investigated area is performed. Numerical simulation is based on the finite element method with usage of the algorithm developed by the authors and a complex of computer programs.
The results of the research are the determination of the shapes and borders of a gas collector, the relative content of methane in partially disintegrated rocks, methane volume in a gas collector.
The practical value of the received results consists in possibility of forecasting the parameters of a gas collector at the stage of creation ofproject documentation for working out the suite of coal layers.
According to the results of the research the dependence between the volume of gas arriving in goaf and the ratio of gas concentration in coal and rock is determined.
Keywords: Finite Element Method, Numerical simulation, stresses, residual resistance coefficient, gas-bearing coal layers, gas collecter, gas volume.
Введение
Проблема повышения безопасности горных работ на шахтах Кузбасса, отрабатывающих угольных пласты с природной метаноносно-стью до 30 м3/т, является весьма актуальной. Несмотря на многолетние исследования процессов формирования газовых коллекторов в очистном выработанном пространстве [3, 5], разработку и использование нормативной документации [1, 4, 6], уровень аварийности на угольных шахтах, связанный с загазированием горных выработок, взрывами метана и угольной пыли не снижается. Одной из причин создавшейся ситуации является несоответствие современных технологий угледобычи нормативным документам, которые были разработаны в прошлом веке с использованием эмпирических зависимостей метановыделения от основных горно-геологических и горнотехнических параметров.
В этой связи актуальной научной задачей является прогнозирование параметров газового коллектора в выработанном пространстве по результатам численного моделирования с целью управления миграцией метана из выработанного пространства в горные выработки.
Определение зоны сдвижения подработанных пород на основе паспорта прочности Мора
В качестве объекта исследований принят участок геомассива в окрестности пласта 26а шахты «Есаульская», которая расположена в северной части Байдаевского каменноугольного месторождения Кузбасса.
Расчетная схема массива горных пород представляет собой область прямоугольной формы длиной по простиранию 690 м и глубиной 500 м. Вмещающая толща на глубине 363,1 м включает пласт угля 26а мощностью 2,1 м. Выше него, на глубине 254,85 м, залегает угольный пласт
29а мощностью 2,57 м, работы в котором приостановлены в связи с аварийной ситуацией. Породы междупластья представлены алевролитами, песчаниками и пластами нерабочей мощности. В промежутке между пластами 26а и 29а залегают шесть газоносных пластов-спутников по мощности не превышающих 0,4 м. Над пластом 29а залегают пласты с 30 по 34 и два пласта-спутника. Пласт 26а содержит выработанное пространство длиной 340 м. Расчетная схема исследуемого участка геомассива представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Расчетная схема исследуемого участка шахты «Есаульская»
Для оценки объема выделившегося газа в очистное выработанное пространство на основе метода конечных элементов проведено численное моделирование напряженно-деформированного состояния исследуемого участка с применением разработанного авторами алгоритма и комплекса программ [8, 9]. Изолинии распределения вертикальных напряжений приведены на рисунке 2.
На рисунке 2 видно, что над кровлей и в почве очистного выработанного пространства наблюдаются растягивающие напряжения, что создает условия для разрушения пород кровли и пучения почвы. Нарушение сплошности пород позволяет газу из сорбированного состояния переходить в свободное и заполнять образовавшиеся трещины. Повышенное, по сравнению с атмосферным, давление свободного газа в трещинах создает предпосылки для его миграции по трещинам в очистное выработанное пространство, в результате чего над кровлей отработанного пласта образуется газовый коллектор, из которого газ поступает в выработанное пространство.
Рис. 2. Вертикальные напряжения, МПа (знак минус определяет сжимающие напряжения)
В качестве условия образования трещин был применен коэффици-
ент остаточной прочности
ор
величина которого в каждом конечном
элементе вычислялась как отношение предельного касательного напряжения, определяемого по паспорту прочности Мора [7], к касательному
напряжению, полученному по результатам численного моделирования. Если коэффициент остаточной прочности кор > 1, то породы не нарушены, если кор < 1 - породы находятся в нарушенном состоянии.
В зависимости от хрупкости пород и степени заполнения природных трещин глинистыми материалами условия формирования трещин и миграции по ним метана существенно меняются. Для хрупких пород типа песчаников эта величина изменяется в пределах 0,8-0,9, для глинистых пород 0,6-0,8. Учитывая, что породы кровли пласта 26а представлены в основном алевролитами, то для оценки проницаемости метана по трещинам применяют к0р < 0,7. На рисунке 3 приведена область зоны сдвижения, ограниченная контуром при к0р = 0,7.
Длина по простиранию, М
Рис. 3. Область зоны сдвижения пород, ограниченная изолинией к„„ = 0,7 (участок шахты «Есаульская»)
ор
Источником метана во вмещающих породах в кровле и почве пласта являются пласты-спутники, из которых метан мигрирует в выработанное пространство. Из отрабатываемого пласта метан выводится венти-
ляционной струей и частично отбитым углем. Соответственно пласты-спутники после подработки под влиянием растягивающих напряжений являются не только источниками, но и каналами миграции метана в выработанное пространство. Наличие между пластами 26а и 29а газоносных пластов-спутников, которые находятся в области растягивающих напряжений в кровле пласта 26а, создает условия для образования в них трещин и формирования над кровлей пласта 26а газового коллектора, из которого происходит миграция газа в очистное выработанное пространство.
Из рисунка 3 следует, что пласт 29а и газоносные угольные пласты-спутники распложены в зоне сдвижения пород, что подтверждает возможность формирования газового коллектора над очистным выработанным пространством пласта и необходимость оценки объема выделившегося метана.
Алгоритм расчета удельного содержания метана в зоне сдвижения подработанных пород
Согласно расчетной схеме выбранного объекта исследования (рис. 1) очистное выработанное пространство имеет протяженную форму, поэтому свод разрушения в удалении от границ модели для двумерной задачи сохраняет эту форму. В этом случае при умножении площади поперечного сечения на длину участка можно вычислить необходимый объем газа.
В нарушенных породах образуются поры, в которых под давлением скапливается свободный газ и мигрирует в очистное выработанное пространство до тех пор, пока его давление в трещинах будет превышать атмосферное. Однако часть газа сохраняется в коллекторе, поэтому объем газа, который поступит в очистное выработанное пространство, ориентировочно можно оценить как разность между выделившемся газом в трещинах коллектора и их объемом.
Для каждого конечного элемента с коэффициентом остаточной прочности породы кр < 0,7 объем газа, образовавшегося в порах в результате перехода от сорбированного в свободное состояние, вычислен на основе следующей зависимости:
VI =р-к • (ех + £у) • Гке, (1)
где Vе - объем газа в порах разрушенной породы, соответствую-
gas
щего конечного элемента, г - плотность пород, k - газоносность, Vke -объем конечного элемента, (Vke = Ske ■ L), L - длина отработанного участка, £х , £у - горизонтальные и вертикальные деформации с учетом знака (при растяжении - плюс, сжатии - минус).
Общий объем газа Vgas в порах вычисляется как сумма объемов по каждому разрушенному элементу породы:
N
V =Yve . (2)
gas / 1 gas v '
e=1
В результате действия техногенных напряжений образование свободного объема пор в области газового коллектора можно оценить на основе следующих зависимостей: N
Vi = ZVe; Ve = (£x y)■ Vk
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.