Анализ характера протекания фильтрационных процессов в массиве горных пород в зависимости от зоны водопроводящей трещиноватости

е.ю.куликова Анализ характера протекания _____________1 фильтрационных процессов в массиве

горных пород в зависимости от зоны водопроводящей трещиноватости

Для анализа характера протекания фильтрационных процессов в зависимости от зон водопроводящей трещиноватости была рассмотрена методика определения условий образования газопроводящих трещин, разработанная коллективом ученых ИПКОН РАН и основанная на многочисленных инструментальных замерах. Правомерность выбора данной методики доказывается некоторой сходностью процессов фильтрации жидкости и газа, как двух аспектов одного явления — переноса вещества или массопереноса.

Согласно выбранной методики условием образования сквозных газо- и водопроводящих каналов является наличие достаточной деформации растяжения екр, при

которой происходит разрыв сплошности пород (1):

М

т

250

£•10

где М

— мощность пород междупла-стья;

т — вынимаемая мощность пласта.

Тогда подработанный массив условно делится на 5 зон по признаку образования водо- и газопроводящих каналов:

I зона М/т< 25;

II зона 25 < М/т< 40 (екр < 0,08-

0,01); — образование сквозных газо- и водопроводящих каналов;

III зона 40 < М/т < 80 (екр = 0,03-

0,08), где секущие трещины в массиве горных пород не образуют единые газо- и водопроводящие системы, вследствие чего на пути движения газа появляется дополнительное аэродинамическое сопротивление, а по длине фильтрации воды — гидродинамическое сопротивление;

IV зона 80 < М/т < 125 — в этой зоне сопротивление, сопровождающее массо-перенос, становится непреодолимым и сквозные секущие трещины не образуются даже в песчаниках.

V зона М/т< 125 (екр =0,002) — образование секущих газо- и водопроводящих трещин не происходит.

Далее методика базируется на определении давления газа в подработанном пласте, что позволяет выявить зоны, отвечающие требованиям Правил безопасности, и рассчитать степень дегазации массива в зависимости от отношения М/ т.

Для фильтрационной задачи данная часть подобного расчета неприменима, т.к. характер протекания процесса переноса жидкого и газообразного вещества различен, несмотря на некоторую общность законов фильтрации для них.

Различный характер влияния фильтрации воды и миграции газа на деформационные процессы в массиве, и прежде всего, трещинообразование обусловлены:

1) различными вязкостными показателями;

2) более резким изменением напора подземных вод при перетечении их в зону критических сопротивлений и при прорывах воды через сквозные водопроводящие каналы, что объясняется явлениями гидростатики;

3) возможностью кольматации некоторых водопроводящих каналов, связанных

с тем, что фильтрация воды сопровождается суффозным выносом продуктов разрушения породы;

4) высокой степенью проникновения газа в породу, даже на поровом уровне, в то время как породы с величиной пор менее 1 мк считаются полностью водонепроницаемыми;

5) в проведении антифильтрационных мероприятий отсутствует понятие защитного пласта в том контексте, в каком это понимается в газовой динамике; при водофильтрационных процессах оперируют понятием водоупорный слой который имеет другие характеристики, чем защитный пласт при миграции газа;

6) при исследованиях зависимостей напора от мощностей пласта и междупластья в газовой динамике, основная нагрузка лежит на определении остаточеного давления газа в подработанном выбросоопасном пласте. Интенсивность водо-фильтрацион-ных процессов определяют различной величиной притока в данном участке массива горных пород или в выработку;

7) в связи с различной плотностью и массой воды и газа фильтрация их происходит в различных направлениях. Т.к. вода в большей степеней подвержена закону гравитации, то естественным является ее движение от верхних слоев массива к нижним, в свою очередь склонность газа к летучести обусловливает проникновение его в вышележащие слои. Этот факт определяет различные теоретические подходы к решению проблемы инфильтрации воды и газа и методы барьбы с ней.

Поэтому дальнейшие исследования по изучению фильтрации воды через трещины проводились в следующем направлении.

По аналогии с миграцией газа прссмат-ривался характер инфильтрации во вмещающем массиве горных пород в зависимости от величины относительного вскрытия пласта. Решение подобной задачи позволяет выявить изменение притока воды с глубиной.

Изменение напора воды при движении ее по трещинам различных пород, вмещающих подготовительные выработки, определяется уравнением (2):

Р=Р0у

где Ро

РІу

а

Ъ

к=а/Ь

О

ГЬг

я

к.

а

4 лак

г „ , 4Ь 1п4Ь ,

[ 2 1п------------— 1

п

Ьк

Я

начальное движение в пласте; параметр притока воды; пьезометрическое давление; мощность пласта

приток воды в выработку; радиус выработки в черне (гь=5,5 м);

радиус питания, Я~2Ъ (2М)\ коэф. фильтрации породы.

Для удобства сравнения газовой и водофильтрационной задачи примем одинаковые обозначения: а=т; Ь=М; а/М.

Следовательно, уравнение притока подземных вод в подготовительную выработку запишется следующим образом:

<2 =

2л Кп(Р-Р0)М

у і М/т 1п( 4 М/гЬг ) — 1п2

где член (Р-Р0) /у определяет разность пьезометрических напоров двух точек поля, а параметр притока воды у=£)/2лМтт зависит от коэффициента трещиноватости пород Шщ-

Расчеты величины притока <2 относительно вынимаемой мощности пород междупластья производились для подготовительных выработок при следующих условиях: />#=5,5 м; Кп=2-Ю~ м/с; (Р-Ро) /у=5и. Мощность массива варьировалась от 10 до 80 м, а мощность вынимаемого пласта — от 1 до 5 м. Полученные результаты отражены в таблицах 1,2 и на рис. 1,2.

Из полученных зависимостей следует, что приток в выработку увеличивается при всех мощностях массива и при величине т/М=0,1 (М/т= 10) составляет соответственно 3-10"2; 5 10 ; 7,8-10"2; 'п~1 ~

0,13 м /с.

10 10" и

Таблица 1

М/т ПРИТОК 0 • 10 2, м/с

М=10 М=20 М-40 М=60 М=80

10 3,0 5.0 7,8 10,0 13,0

20 1,6 2,0 4,5 5,0 6,0

40 0,8 1,0 4,0 2,5 3,0

60 0,6 0,9 1,5 2,0 2,5

во ; Ш:№Ш 0,5 0,9 1,2 1,5

Как следует из полученных зависимостей, с увеличением глубины разработок, кривая притоков имеет тенденцию к уменьшению, причем для выработок подготовительного типа при небольшой глубине ведения работ уменьшение притоков для удобства сравнения газовой и водо-фильтрационной задачи примем одинаковые обозначения: а=т; Ь=М; а/Ь=т/М.

Кривая притоков имеет тенденцию к уменьшению, причем для выработок подготовительного типа при небольшой глубине ведения работ уменьшение притоков происходит по параболической зависимости, приобретая линейный характер, начиная с М — 50 м для т= 1м и до М- 100 м для т = 5 м.

Рис1. Зависимость притока воды в подготовительную выработку от величины вскрытия пласта.

ТАБЛИЦА 2

М/т Приток О * 10 , м/с

ю т-1 30 т-2 4 0 т-3 60 т-4 80 т-5 9 0

• 1 V . 20 V/ у V/ 2.4 3,8 5,0 V# 6,0 .... . . ^ . V# 7,0

30 2 0 3,0 >4,0 5,3 6,3

40 1,7 2,9 3,9 5,0 6,0

50 1Д 2,8 3,8 шттш 5,8

60 1,5 2,7 3,6 4,6 5,6

Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы:

1. Несмотря на некоторую сходность процессов фильтрации жидкостей и газов, они обладают существенными различиями, обусловленными их физической природой, характером миграции этих веществ, характером распределения давления в окружающем ваработку массиве и возможными теоретическими и практическими подходами к проблеме сни-жения инфильтрации воды и газа в выработку.

2. Изменение напора воды при движе-нииее по трещинам различных пород, вмещающих подготовительные выработки, может определяться величиной относительного вскрытия пласта М/т.

3. Основной отличительной характеристикой процесса переноса водных масс является величина притока воды через трещины Q=f( М/ т ) в то время как при движении газа по трещиноватым породам определяющим фактором является давление газа М/ т = а(Р).

4. При фильтрации воды по трещиноватому массиву горных пород не наблюдается четкого зонального разграничения массива по величине наличия газа по трещинам, водо-фильтрвционные характеристики потока в трещиноватом массиве изменяются плавно по параболической зависимости с постепенным выполаживанием кривой до линейной функции.

© Е. Ю. Куликова

Рис 2. Зависимость величины притока воды в подготови тельную выработку от мощности массива