Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ моделей геосреды и разработка математической модели блочной структуры газоносного углепородного массива 11
1.1 Обоснование актуальности совершенствования математического и численного моделирования напряженно-деформированного состояния газоносного геомассива. Цель и задачи исследований 12
1.2 Анализ моделей геосреды и математическое моделирование сплошного газоносного массива горных пород 17
1.3 Математическое моделирование блочной структуры газоносного углепородного массива 24
1.4 Выводы 36
2 Разработка комплекса проблемно-ориентированных программ для численного моделирования напряженно деформированного состояния блочного геомассива 37
2.1 Обоснование расчётной модели и выбор численного метода для разработки комплекса проблемно-ориентированных программ 37
2.2 Разработка комплекса проблемно-ориентированных программ 41
2.3 Оценка сходимости расчетных параметров напряженно-деформированного состояния и результатов аналитического решения 54
2.4 Разработка метода зональной триангуляции модели геомассива на конечные элементы 58
2.5 Настройка комплекса программ для численного моделирования напряженно-деформированного состояния геомассива по результатам мониторинга смещений горных пород в шахтных условиях 61
2.6 Выводы 65
Исследования напряжённо-деформированного состояния блочного геомассива на основе вычислительных экспериментов с применением комплекса программ 67
3.1. Программа проведения вычислительных экспериментов 67
3.2 Исследование распределения напряженно-деформированного состояния нетронутого блочного геомассива в гравитационном и геотектоническом полях напряжений 69
3.3 Исследование распределения напряженно-деформированного состояния блочного геомассива при интеграции гравитационного и техногенного полей напряжений 75
3.4 Исследование распределения напряженно-деформированного состояния блочного геомассива при интеграции гравитационного, геотектонического и техногенного полей напряжений 81
3.5 Исследование распределения напряженно-деформированного состояния блочного геомассива при совместном влиянии гравитационного, геотектонического, техногенного полей напряжений и дизъюнктивов 89
3.6 Выводы 94
4 Численное моделирование формирования и распределения опасных зон в газоносном углепородном массиве 96
4.1 Математическая модель миграции метана в блочном газоносном углепородном массиве 97
4.2 Численное моделирование распределения деформаций и давления метана в нетронутом газоносном углепородном массиве 104
4.3 Численное моделирование распределения деформаций и давления метана в газоносном углепородном массиве с учетом влияния горных выработок 113
4.4 Закономерности формирования и распределения опасных зон в блочном газоносном геомассиве 118
4.5 Выводы 120
Заключение 123
Список использованных источников
- Анализ моделей геосреды и математическое моделирование сплошного газоносного массива горных пород
- Разработка комплекса проблемно-ориентированных программ
- Исследование распределения напряженно-деформированного состояния нетронутого блочного геомассива в гравитационном и геотектоническом полях напряжений
- Численное моделирование распределения деформаций и давления метана в газоносном углепородном массиве с учетом влияния горных выработок
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из причин высокого неснижаемого травматизма на угольных шахтах является низкий уровень разработки и внедрения адаптированных к сложным условиям горного производства методов математического и численного моделирования напряжённо-деформированного состояния газоноского углепородного массива в сейсмически активных районах.
Необходимость создания и применения на угольных шахтах современных информационных систем, включающих автоматизированный мониторинг и прогноз параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) геомассива на основе расчетов с использованием программных средств, регламентируется действующими нормативными документами и требованиями промышленной и экологической безопасности.
Сложности решения задач математического и численного моделирования связаны с особыми условиями формирования НДС газоносной углепородной толщи в сейсмически активных районах: неравномерное природное поле напряжений; блочная структура геомассива; тектонические нарушения; неравномерность распределения флюидов и физико-механических свойств горных пород. Существующие аналитические и численные решения комплекса указанных задач, позволяющие учитывать сложное взаимодействие горногеологических, горнотехнические и техногенных факторов, не в полной мере соответствуют требованиям современного горного производства.
В этой связи математическое моделирование НДС газоносного геомассива с численной реализацией в виде комплекса программ для обоснования геомеханических и газодинамических параметров безопасной угледобычи в сейсмически активных районах является актуальной научной задачей.
Работа выполнена при поддержке пяти грантов Минобрнауки РФ и одной хоздоговорной работы: ГК №16.740.11.0186, 2010-2012 гг.; ГК №1.5.07, 2010-2011 гг.; ГК №П41, 2010-2011 гг.; №7/20110, 2010 г.; ГК №14.132.21.1372, 2012-2013 гг.; ГК №538322011, 2012-2013 гг.
Целью диссертации является численное моделирование НДС газоносного углепородного массива с применением разработанного комплекса проблемно-ориентированных программ для выявления закономерностей распределения потенциально опасных зон и газовых коллекторов в окрестности горных выработок.
Задачи исследования:
-
Разработать математическую модель блочной структуры газоносного углепородного массива.
-
Разработать метод зональной триангуляции расчётной модели на конечные элементы с адаптацией их размеров и количества к геометрическим параметрам структурных элементов углепородного массива.
-
Разработать комплекс проблемно-ориентированных программ для
численного моделирования НДС в газоносном блочном геомассиве.
-
Провести вычислительные эксперименты посредством численного моделирования НДС блочного геомассива с применением комплекса программ.
-
Выявить по результатам численного моделирования закономерности формирования и распределения потенциально опасных зон под влиянием горных выработок в газоносном блочном геомассиве.
Методы исследований: математического и численного моделирования, механики сплошной среды и газодинамики, объектно-ориентированного программирования, разработки программных приложений, системного анализа и обобщения результатов.
Научная новизна диссертации:
-
Математическая модель блочной структуры углепородного массива, отличающаяся алгоритмом выделения границ природных и техногенных блоков по критерию, равному отношению цилиндрических жёсткостей соседних породных слоев геомассива.
-
Метод зональной триангуляции на конечные элементы модели слоистого углепородного массива, включающего свиту пластов, отличающийся сгущением элементов в пределах актуальных угольных пластов и горных выработок и разряжением в породах междупластья и на периферии дискретной модели геомассива.
-
Комплекс проблемно-ориентированных программ, отличающийся интеграцией численного решения геомеханической и газодинамической задач и позволяющий прогнозировать потенциально опасные зоны в окрестности горных выработок по интенсивности тензора напряжений и давления газа.
-
Вид функции изменения горизонтальных напряжений под влиянием горизонтальных тектонических сил, которая в середине структурных блоков является непрерывной, а на границах структурных блоков, дизъюнктивов и выработок имеет точки разрывов, которые являются границей перехода горных пород в запредельное состояние.
-
Закономерности формирования опасных зон в газоносном геомассиве на основе критерия разрушения пород: в зоне растяжения - по растягивающим напряжениям, превышающим предел прочности пород при растяжении; в зоне сжатия - по сумме сжимающих напряжений и давления метана, превышающих 70% начальной прочности пород при сжатии.
Практическая значимость. Разработанные математическая модель блочной структуры углепородного массива, метод зональной триангуляции на конечные элементы модели слоистого углепородного массива и комплекс проблемно-ориентированных программ могут быть использованы при численном моделировании НДС геомассива для прогнозирования опасных зон в проектах угольных шахт и паспортах выемочных участков для особо сложных условий: высокая газоносность углепородной толщи, наличие геологических нарушений, сейсмичность района угледобычи, сложная форма
горных выработок.
Комплекс проблемно-ориентированных программ рекомендован к использованию в учебном процессе при изучении дисциплин «Компьютерное моделирование пластовых месторождений», «Моделирование гео- и газодинамических процессов», дипломном и курсовом проектировании при обучении студентов по направлению 130400 - Горное дело, специализация «Подземная разработка пластовых месторождений», а также при проведении научных исследований аспирантами.
Реализация результатов. Результаты исследований использованы при
выполнении 6 научно-исследовательских работ, в том числе по 5 грантам
Федеральной целевой программы, заданиям Министерства образования РФ, 1
хоздоговорной работы; приняты для использования в проектах,
разрабатываемых ООО «Проектгидроуголь» (справка от 12.08.2013), в
экспертных заключениях ООО «Экспертная организация
«Экспертпромуголь» (справка от 14.08.2013).
Предмет защиты и личный вклад автора. Математическая модель блочной структуры углепородного массива, с выделением границ природных и техногенных блоков; метод зональной триангуляции на конечные элементы модели слоистого углепородного массива; комплекс проблемно-ориентированных программ с интеграцией численного решения геомеханической и газодинамической задач; вид функции изменения горизонтальных напряжений в зависимости от горизонтальных тектонических сил; закономерности формирования опасных зон в газонасыщенном геомассиве на основе критерия разрушения пород.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях: VIII международна научна практична конференция «Новината за напреднали наука - 2012» (София, 2012); VII mezinarodni vedecko - prakticka konference «Predni vedecke novinky - 2011» (Praha, 2011); IX mezinarodni vedecko - prakticka konference «Efektivni nastroje modernich ved - 2013» (Praha, 2013); XIII международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности. (Кемерово, 2011); I Региональной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы добычи и переработки угля в Кузбассе» (Новокузнецк, 2010); XVII Международный симпозиум имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых (Томск, 2013).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 11 опубликованных работах, из которых 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 6 в материалах и трудах научных конференций,
1 патент на изобретение.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка использованных источников, приложений и содержит 141 страницу основного текста, включая 49 рисунков, 5 таблиц,
2 приложения.
Автор приносит глубокую благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору Фрянову В.Н., научному консультанту, доктору технических наук Павловой Л.Д. Автор признателен коллективу кафедры разработки пластовых месторождений СибТИУ за плодотворное сотрудничество и предоставленную возможность проведения исследований.
Анализ моделей геосреды и математическое моделирование сплошного газоносного массива горных пород
Современное состояние технологии угледобычи на шахтах России приближается к мировому уровню этой технологии в развитых угледобывающих странах: США, Австралии, Великобритании, Германии и др. [5-9 и др.].
Однако достигнутые на шахтах России технико-экономические показатели существенно хуже соответствующих показателей шахт США, Австралии. Учёные и практики объясняют это отставание сложными по сравнению с зарубежными шахтами горно-геологическими и горнотехническими условиями залегания угольных пластов и несовершенной системой управления производством, базирующейся на результатах экспертного принятия решений без достаточного научного обоснования, в том числе с использованием современных компьютерных технологий [5, 10-13, 124].
По результатам сравнительного анализа выявлены следующие отличительные признаки горно-геологических и горнотехнических параметров угольных месторождений России: - неравномерное распределение параметров и характеристик пород кровли и почвы пластов в пределах геологических участков и шахтных полей; - неравномерность природного поля напряжений, обусловленная геотектоническими процессами в сейсмически активных районах; - наличие множества мелко амплитудных геологических нарушений разрывного типа, трещин, часто не обнаруживаемых на стадии проведения геолого-разведочных работ и эксплуатационных выработок; - переменный угол падения пласта в пределах отдельного выемочного участка; - склонность большинства угольных пластов к горным ударам и внезапным выбросам угля (породы) и газа; - склонность пластов угля к самовозгоранию; - наличие в углепородной толще свит сближенных угольных пластов, отработка которых приводит к формированию зон повышенного горного давления, опасных зон, газовых коллекторов в зоне сдвижения подрабатываемых и надрабатываемых горных пород, формированию затопленных водой выработанных пространств в верхних отработанных пластах и др.; - прорывы в горные вредных газов, в том числе метана, из отрабатываемых и сближенных угольных пластов; - непрогнозируемое выделение метана в горные выработки в зонах геологических нарушений.
Для учёта указанных факторов и принятия рациональных технологических решений требуется создание уникальной для каждого предприятия информационной среды, включающей не только базы данных натурного эксперимента, но и прогнозные параметры, установленные по результатам математического и численного моделирования [22].
В реальном геомассиве кроме природных геодинамических и тектонических структур формируются техногенные блоки при зависании и обрушении подработанных пород кровли. Это приводят к периодическому характеру проявления горного давления в отрабатываемом угольном пласте и формированию в выработанном пространстве структурных техногенных блоков, газового коллектора переменного объёма. Блочная структура геомассива установлена по результатам многочисленных исследований в натурных условиях и на физических моделях [25-28, 35, 40]. Основными параметрами зависающих и периодически обрушающихся в виде блоков пород кровли являются длина консоли, мощность породных слоев. Однако математическое моделирование блочной структуры пока не доведено до практического применения наугольных шахтах [19-23]. Отсутствие достоверной информации о процессах в геомассиве приводят к авариям с групповыми несчастными случаями (шахты «Тайжина», «Ульяновская», «Юбилейная», «Распадская» и др. в Кузбассе) [14]. Согласно [14] в период 1988-1997 гг. количество всех взрывов метановоздушной смеси в угольных шахтах России достигло 115, а в период 1998-2007 гг. - 63, то есть снизилось почти в два раза. Однако число погибших людей в шахтах за эти же соответствующие периоды возросло с 176 до 297, а тяжесть каждого взрыва возросла от 1,53 до 4,71 чел./взрыв [127]. Результаты комиссионного расследования аварий после взрыва метановоздушной смеси подтверждают, что причиной взрыва является, как правило, взаимодействие геомеханических и газодинамических процессов: зависание пород кровли над выработанным пространством, формирование газового коллектора в зоне сдвижения подработанных горных пород, обрушение пород кровли над выработанным пространством, формирование ударной волны метановоздушной смеси, взрыв метановоздушной смеси при наличии источников огня, подземный пожар. Указанные факторы роста тяжести аварий подтверждают актуальность исследований по развитию математического и численного моделирования НДС для формирования уникальной для каждой шахты информационной базы данных.
На основе результатов проведённого краткого анализа можно утверждать, что дальнейшее управление горным производством без использования современных способов и компьютерных средств получения и использования информации о происходящих в недрах процессах не позволит достичь на шахтах России, даже при полном оснащении технологических схем шахт импортными машинами и оборудованием, технико-экономических показателей, близких к соответствующим показателям лучших зарубежных шахт.
Поэтому необходимо провести комплексные научные исследования по адаптации существующих и созданию новых методов математического и численного моделирования НДС газоносного углепородного массива и комплексов проблемно-ориентированных программ с целью выявления по результатам моделирования закономерностей пространственного распределения потенциально опасных зон и газовых коллекторов в окрестности горных выработок, разработки мероприятий по профилактике аварий.
При численном моделировании взаимодействия геомеханических и газодинамических процессов в геосреде в настоящей работе предлагается изучить влияние на эффективность и безопасность горных работ на шахтах следующих основных факторов: пространственно-временной иерархию системы породных блоков, линеаментов и горных выработок; динамику метана в зоне сдвижения горных пород и в горных выработках; скорость изменения объёма газового коллектора в выработанном пространстве; зоны повреждения горных пород.
При отработке угольных месторождений в сейсмически активных районах научно обоснованные результаты исследований влияния горных работ на промышленную безопасность угольных шахт как опасных производственных объектов весьма ограничены или по некоторым районам основных угольных бассейнов отсутствуют [21, 45, 49]. Опыт разработки угольных месторождений в сейсмически активных зонах показал, что при сейсмичности более 6 баллов по шкале Рихтера в процессе ведения горных работ возникают следующие негативные для экологии угледобывающих регионов явления и опасные состояния горнодобывающих предприятий: - внезапные прорывы метана и вредных газов из почвы отрабатываемых пластов в зоне геологических разломов (шахты «Абашевская», «Юбилейная», «Осинниковская» в Кузбассе и др.). Следствием таких прорывов метана и вредных газов является загазирование горных выработок, залповые выбросы метана в атмосферу, взрывы метана с выбросом в атмосферу продуктов взрыва и горения. Природа этих явлений полностью не изучена [20]; - раскрытие геотектонических каналов и интенсификация миграции метана по линеаментам при обрушении подработанных пород угольных пластов с залповым выделением метана в горные выработки, районы жилой застройки и атмосферу [2];
Разработка комплекса проблемно-ориентированных программ
В процессе моделирования слоистых структур геомассива было установлено, что при триангуляции модели геомассива по прямоугольной сетке большая часть конечных элементов располагается на периферии модели (см. рисунок 2.3) и параметры этих элементов не оказывают существенного влияния на точность расчёта параметров НДС [111].
Основными элементами углепородного массива являются угольные пласты, отработка которых осуществляется по технологиям, требующим участия людей и применения механизмов. Поэтому основные случаи аварий и несчастных случаев происходят в выработках, пройденных в угольных пластах. Назовём отрабатываемые пласты актуальными для численного моделирования элементами геомассива. В процессе отработки пластов рабочей мощности одновременно происходит подработка или надработка пластов-спутников, которые являются податливыми слоями, по которым происходит расслоение породного массива и формирование газовых коллекторов. Назовём пласты-спутники также актуальными элементами геомассива (см. рисунок 1.8).
Углепородный массив можно представить как совокупность чередующихся актуальных слоев. В пределах этих актуальных слоев, как правило, угольных пластов, размеры конечных элементов должны быть значительно меньше элементов во вмещающих пласт породах. На рисунке 2.14 в качестве актуального рассматривается один угольный пласт, относительно которого осуществляется сокращение количества конечных элементов в породных слоях кровли и почвы пласта.
Схема зональной триангуляции модели геомассива при оптимизации размеров и количества конечных элементов
В этой связи предлагается схема триангуляции расчётной модели по принципу: густая сеть конечных элементов в пределах угольных пластов и разреженная сеть во вмещающих породах (рисунок 2.14).
Алгоритм построения оптимальной сети конечных элементов и компьютерная программа включают выполнение следующих этапов:
1) математическое описание породных слоев и угольных пластов шестиугольными полигонами с определением координат четырёх вершин шестиугольников на границах модели и двух по середине модели;
2) по каждому слою (угольному пласту) вводятся физико-механические свойства пород, координаты шестиугольников, количество вершин конечных элементов по каждой грани шестиугольника;
3) указываются актуальные слои (угольные пласты) и максимальное количество вершин конечных элементов; 4) вводится количество минимальных вершин конечных элементов по породным слоям;
5) осуществляется программная триангуляция шестиугольников по следующим формулам: при увеличении количества конечных элементов в верхнем шестиугольнике n.=(2nB-l); (2.6) при уменьшении количества конечных элементов в верхнем шестиугольнике n„=0,5(2nH+l), (2.7) где п„, па - количество вершин конечных элементов по нижней стороне и верхней стороне шестиугольника соответственно.
По предложенному алгоритму разработан и включен в комплекс объектно-ориентированных программ KLATRAT программный модуль. Результаты расчёта с использованием этого модуля показали, что по сравнению с прямоугольной сетью конечных элементов применение оптимальной неравномерной сети обеспечивает сокращение конечных элементов в 1,54-1,75 раза в зависимости от количества угольных пластов и горных выработок в расчётной модели. При этом отклонения расчётных параметров НДС в пределах угольных пластов при альтернативных схемах триангуляции составила 1,5-5,2%. Разность расчётных параметров НДС геомассива при применении регулярной сети конечных элементов и оптимальной в породных слоях по мере их удаления от угольных пластов увеличивается до 11,0%. По результатам численного моделирования разных вариантов углепородного массива установлено, что при мощности пород между пластами больше 20т, где т-вынимаемая мощность пласта, рекомендуется в породах междупластья выделять дополнительно актуальный породный слой.
Как показано в подразделе 2.2 настоящей работы, результаты численного моделирования с использованием разработанного комплекса проблемно-ориентированных программ KLATRAT в пределах погрешности алгоритмов соответствуют результатам аналитического решения при решении упругих задач геомеханики. В настоящее время достоверный прогноз параметров НДС с использованием разработанных алгоритмов и программного комплекса и учётом всего многообразия горно-геологических условий, неоднородностей формы и размеров структурных блоков, техногенное воздействия, миграции флюидов возможен только посредством настройки входных параметров математической модели по результатам мониторинга смещений горных пород. Смещения горных пород являются первичными исходными данными, с помощью которых по математическим моделям деформирования горных пород осуществляется вычисление напряжений, деформаций, повреждений пород, давления метана в геомассиве и другие геомеханические, газодинамические и технологические параметры.
Так как вычисленные МКЭ упругие смещения вершин конечных элементов, вследствие несоответствия упругих характеристик модели геомассива реальным характеристикам в природном углепородном массиве, меньше на 1-2 порядка по сравнению с измеренными смещениями при натурном эксперименте, то предлагается проводить настройку входных параметров математической модели.
Исследование распределения напряженно-деформированного состояния нетронутого блочного геомассива в гравитационном и геотектоническом полях напряжений
На рисунке 3.20 показано распределение остаточной прочности угля и порол при интегральном влиянии геологического нарушения и выработанного пространства. Из результатов сравнения графиков на рисунках следует, что геологическое нарушение можно рассматривать как встречный забой, так как остаточная прочность угля в краевой части пласта и в зоне дизъюнктива примерно одинаковые (меньше 0,5).
Для оценки влияния геологического нарушения на форму и размеры дополнительных линеаментов и блоков в угольном массиве проведен расчет относительных горизонтальных и вертикальных деформаций без учета влияния дизъюнктива (рисунок 3.21,а) и в зоне влияния дизъюнктива (рисунок 3.21,6). Из сравнения графиков следует, что на участке пласта между дизъюнктивом и краевой частью пласта резко увеличиваются горизонтальные растягивающие и вертикальные сжимающие деформации. Это должно привести к изменению формы природных линеаментов и блоков в угольном пласте и, соответственно, условий формирования или разложения клатратных соединений.
Расстояние от линии очистного забоя, м Расстояние от линии забоя, м Изолинии распределения вертикальных (красные линии) и горизонтальных (синие линии) деформаций (є 10 ) при е 0 - деформации растяжения, є 0 - деформации сжатия: а - в краевой части пласта; б - в зоне влияния геологического нарушения разрывного типа (зеленый цвет)
По результатам исследования распределения смещений, напряжений, деформаций и отношения остаточной прочности пород к исходной в гравитационном и геотектоническом полях напряжений в окрестности системы взаимовлияющих очистных и подготовительных горных выработок с учётом пространственно-временной иерархии блочного углепородного массива выявлены закономерности и обоснованы следующие выводы и рекомендации: 1) Установлена закономерность изменения деформаций в гравитационном и геотектоническом полях напряжений нетронутого углепородного массива: вертикальные деформации в гравитационном и геотектоническом полях напряжений почти не отличаются по знакам и величинам в пределах всей модели, а горизонтальные напряжения по величине изменяются прямо-пропорционально коэффициенту бокового давления. Аналогичная закономерность установлена и по результатам анализа характера распределения вертикальных и горизонтальных напряжений в гравитационном и геотектоническом полях напряжений нетронутого углепородного массива. 2) По разности вертикальных смещений при разных вариантах исходного напряжённого состояния углепородного массива выявлены следующие закономерности: в породах кровли отрабатываемого пласта выше зоны трещинообразования величины вертикальных смещений как в гравитационном, так и геотектоническом полях отличаются несущественно. В зонах трещинообразования и обрушения пород кровли вертикальные смещения в геотектоническом поле больше соответствующих параметров в гравитационном поле в 1,05-1,08 раза. Причём в зоне опорного горного давления над и под угольным целиком между подготовительной выработкой и очистным выработанным пространством соседнего выемочного участка это отношение увеличивается до 1,2. 3) Закономерности распределения горизонтальных смещений пород в гравитационном (Х = 0,5) и геотектоническом (Х:=2,0) полях напряжений существенно отличаются. В геотектоническом поле напряжений примерно на высоте 0,5Н от отрабатываемого пласта, где Н - глубина разработки, выявлена зона, в которой горизонтальные смещения 0. В гравитационном поле такая зона не установлена. Величины горизонтальных смещений вблизи земной поверхности в 3-5 раз больше в геотектоническом поле по сравнению с аналогичными смещениями в гравитационном поле. Эту весьма важная закономерность рекомендуется учитывать при проектировании зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. 4) Максимальный вектор горизонтальных смещений направлен от очистного выработанного пространства в сторону краевой части отрабатываемого пласта. Причём в геотектоническом поле горизонтальные смещения по абсолютной величине в 2-3 раза больше аналогичных смещений в гравитационном поле. Это приводит к сжатию угольного целика между подготовительной выработкой и очистным выработанным пространством и выдавливанию угля в подготовительную выработку. 5) Вертикальные деформации в гравитационном и геотектоническом полях напряжений при отработке угольного пласта почти не отличаются по величине и знаку. Преобладают деформации сжатия, то есть вероятность раскрытия трещин по напластованию пород или увеличения пористости угля в целике и вмещающих породах весьма низкая. 6) В геотектоническом поле напряжений под влиянием очистных и подготовительных выработок горизонтальные деформации сжатия в 2-3 больше по сравнению с аналогичными деформациями в гравитационном поле напряжений, то есть отсутствуют условия для раскрытия трещин под влиянием горизонтальных деформаций как в гравитационном, так и геотектоническом полях напряжений.
Численное моделирование распределения деформаций и давления метана в газоносном углепородном массиве с учетом влияния горных выработок
По результатам численного моделирования, смещений, напряжений, деформаций и остаточной прочности в газонасыщенном геомассиве с учетом интегрального влияния давления флюидов, гравитационных, геотектонических и техногенных полей напряжений выявлено пространственное положение следующих опасных зон [128]:
В краевой части угольного пласта. Это подтверждается высокими сжимающими вертикальными, горизонтальными и касательными напряжениями. Учитывая, что для подавления пыли в угольный пласт подается под большим давлением вода, то в этих условиях возможно образование газогидратных соединений. При условиях, если расчётные максимальные напряжения не превышают предел упругости пород, то происходит высвобождение упругой энергии деформации в виде горного удара или внезапного выброса при наличии давления газа. Если максимальные напряжения превышают предел прочности угля, то происходит разрушение угля и пород с образованием дополнительных трещин или раскрытие существующих. В этих условиях вследствие снижения давления возможен переход газогидратов в газообразное состояние и выделение метана в горные выработки по трещинам или в отжатом угле и горной массе.
В подрабатываемых или подрабатываемых угольных пластах-спутниках. Это подтверждается влиянием растягивающих горизонтальных напряжений и деформаций при высоких вертикальных напряжениях и деформаций. По результатам моделирования выявлено, что в породах кровли пласта происходит смена знаков горизонтальных смещений, то есть породы непосредственной кровли и уголь подрабатываемых пластов направлены от выработанного пространства в сторону краевой части пласта, а выше, наоборот, от краевой части угольного пласта в сторону выработанного пространства. Указанная закономерность подтверждается результатами физического моделирования, полученными на моделях из эквивалентных материалов. Соответственно, в подработанном или надработанном угольном пластах и особенно на контактах с боковыми породами возможно образование каналов миграции флюидов, деформации структурной схемы угля и изменения состояния клатратного соединения.
В зонах геологических нарушений разрывного типа. Наличие зоны вероятного формирования или разложения газогидратов подтверждается сравнением формы и изолиний распределения относительных горизонтальных и вертикальных деформаций без учета влияния дизъюнктива и в зоне влияния дизъюнктива. На участке пласта между дизъюнктивом и краевой частью пласта резко увеличиваются горизонтальные растягивающие и вертикальные сжимающие деформации. Это должно привести к изменению формы природных линеаментов и блоков в угольном пласте и, соответственно, условий формирования или разложения клатратных соединений.
В породах почвы отрабатываемого пласта. По результатам численного моделирования подтверждена возможность прорыва метана по техногенным и природным трещинам в породах почвы. В гравитационном поле вероятность прорыва метана из пород почвы не высокая, так как существенный перепад давления метана не выявлен. Выявленная закономерность миграции метана позволяет утверждать, что прорывы метана из почвы отрабатываемого пласта возможны только при горизонтальных напряжениях, превышающих вертикальные напряжения. Такая ситуация также возможна в зонах разрывных нарушений. Анализ фактических случаев прорыва метана из почвы отрабатываемых пластов (пласт 25 на шахте «Юбилейная», пласт 26а на шахте «Абашевская» в Кузбассе) подтверждают закономерность прорывов метана при горизонтальных напряжениях, превышающих вертикальные.
По результатам исследования распределения напряжений, деформаций и давления метана в гравитационном и геотектоническом полях напряжений в окрестности системы взаимовлияющих очистных и подготовительных горных выработок с учётом пространственно-временной иерархии блочного углепородного массива и миграции флюидов выявлены закономерности и обоснованы следующие выводы и рекомендации:
1) Установлено, что угольный целик шириной более 8т, где т - вынимаемая мощность пласта, между подготовительной выработкой и очистным выработанным пространством является надёжным барьером, предотвращающим перетоки метана из ранее отработанного выработанного пространства выемочного участка за счёт уплотнения угля и пород под влиянием горного давления. В геотектоническом поле напряжений при превышении горизонтальных сжимающих напряжений этот эффект существенно увеличивается.
2) Верхняя граница газового коллектора над очистным выработанным пространством прослеживается на высоту до Ют от кровли пласта в гравитационном поле напряжений и до Зт в геотектоническом поле напряжений, где m - вынимаемая мощность пласта.
3) Наиболее существенное изменение характера распределения давления метана в геотектоническом поле происходит в породах почвы и кровли отрабатываемого пласта. Влияние горных выработок на давление метана прослеживается на расстояние до 200 м, что соответствует высоте зоны трещинообразования h = 35 - 40m, где m - вынимаемая мощность пласта. Влияние геотектонического поля напряжений на давление метана по сравнению с гравитационным полем напряжений выявлено на расстоянии 130 м, то есть около 25-30 т.
4) Распределение давления метана в краевых участках отрабатываемого пласта и в зоне влияния угольного целика крайне неравномерное. Наибольшая неравномерность наблюдается при воздействии геотектонического поля. Вблизи очистного выработанного пространства давление метана близкое к нулю, а в краевых участках пласта и в зонах опорного горного давления давление метана возрастает, что следует объяснить закрытием трещин и снижением пористости угля и пород под влиянием преобладающих горизонтальных напряжений по сравнению с напряжениями в гравитационном поле.
5) Максимальный градиент перепада давления метана зафиксирован над и под краевой частью пласта. В гравитационном поле такая интенсивность перепада давления метана не выявлена. Установленная закономерность позволяет утверждать, что прорывы метана из почвы отрабатываемого пласта возможны только при горизонтальных напряжениях, превышающих вертикальные напряжения. Такая ситуация также возможна в зонах разрывных нарушений. Анализ фактических случаев прорыва метана из почвы отрабатываемых пластов (пласт 25 на шахте «Юбилейная», пласт 26а на шахте «Абашевская» в Кузбассе) подтверждают установленную закономерность прорывов метана при горизонтальных напряжениях, превышающих вертикальные.
