Геомеханическое обоснование подземного виброисточника для сейсмоволновой дегазации неразгруженных угольных пластов

новлено, что при газоимпульсном воздействии на пласт угля должны быть учтены следующие факторы:

• глубина от поверхности пластопере-сечения Н = 600-1200 м;

• удельный вес горных пород у = 2,5 т/м3;

• вертикальные напряжения а1= уН= 15-30 МПа;

• предел прочности угля на одноосное сжатие асж=5-15 МПа;

• давление газа в пласте Рг=3-13 МПа;

• пористость угля П=0,02-0,08;

• боковые напряжения а3=15-30 МПа;

• предел прочности угля на растяжение аотр=1,0-2,5 МПа;

• радиус скважины г=0,075-0,1 м.

5. Эффективный радиус трещинообразова-ния ЯЭф зависит от силовых параметров газоимпульсного воздействия, газодинамического состояния и физико-механических свойств обрабатываемого горного массива. Взаимосвязь между силовыми, горно-геологическими и геометрическими параметрами определяется:

• коэффициентом пропорциональности, характеризующим время, темп нагнетания

1. Забурдяев B.C., Сергеев ИВ. и др. Дегазация

угольных пластов с применением методов активации га-зовыделения. ЦНИИЭИ уголь, М. , 1988, 5Q с.

2. Забурдяев B.C., Забурдяев Г.С. Способы ин-

тенсификции газоотдачи неразгруженных пластов угля в подземных условиях.// Современные проблемы шахтного метана. МГГУ, 1999, с. Юб-117.

3. Кусов Н.Ф., Пиковец С.И. Исследование процесса трещинообразования при квазистатических нагрузках.// М., научные сообщения ИГД им. А.А. Скочин-ского, вып.Ю8, 1973, 5 с.

флюида и соответствующим оптимальной скорости трещинообразования (Р[ = 3,75-5);

• коэффициентом пропорциональности, характеризующим структуру и строение угольного пласта (р2 = 0,26-0,45);

• коэффициентом пропорциональности, характеризующим степень замкнутости пространства в зоне обработки пласта из скважины (Р 3 = 1-3).

Проведена ранжировка значимости влияния основных параметров на ЯЭф. Наиболее значимым ЯВЛЯЮТСЯ Раз = 30,1 %, асж = 25,7 % и р3= 19,8 %.

Значения коэффициентов рь р2 и р3 подлежат корректировке по данным результатов полевых испытаний способа газоимпульсного воздействия на массив угля.

6. Установлены зависимости изменения давления импульсного нагнетания Раз от времени 1 и площади выходных отверстий Е. При Е = 1,0 см2 Раз уменьшается со 150 до 30 МПа за время Д1 = 0,6 с.

7. Разработан алгоритм определения эффективного трещинообразования в пласте угля в зависимости от исходных данных, силовых, горно-геологических, геометрических параметров газоимпульсного воздействия с применением снаряда ГИРС.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Христианович С.А. О волне дробления. О волне выброса. Изв. АН СССР. ОТН, 1953, №12, с.16673-1966.

5. Петухов ИМ., Линьков А.М. Теоретические основы борьбы с выбросами угля, породы и газа. - М.: Уголь, 1975, №9, с.9-15.

6. Иванов Б.М., Фейт Г.Н., Яновская М.Ф. Механические и физическо-химические свойства углей выбросоопасных пластов. - М.: Наука, 1979, 196 с.

7. Ворощук А.Н Основы ЦВМ и програмирова-ние, - М.: Наука, 1978, 464 с.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------

Иванов Б.М., Дегтярев В.В., Лысенко А.М., Шепотько В.И. — ОАО «Корпорация «Компомаш».

^--------

-------------- © Н.В. Макарюк, 2004

УДК 622.831: 622.411.332 Н.В. Макарюк

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОДЗЕМНОГО ВИБРОИСТОЧНИКА ДЛЯ СЕЙСМОВОЛНОВОЙ ДЕГАЗАЦИИ НЕРАЗГРУЖЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Семинар № 5

тработка высокогазоносных и выбросоопасных угольных пластов, залегающих в сложных горно-геологических условиях на больших глубинах, серьезно осложняется снижением эффективности применяемых шахтных методов предварительной и ограждающей дегазации. Это приводит к существенному ограничению рабочих нагрузок на очистные забои по газовому фактору, уменьшению скорости проходки подготовительных выработок и снижению уровня концентрации метана в каптируемой метановоздушной смеси ниже допустимого (менее 30%), что делает экономически нецелесообразной промышленную утилизацию шахтного метана и повышает экологическую нагрузку на атмосферу Земли. В связи с этим актуальной становится проблема совместной добычи угля и метана, решение которой связано с разработкой эффективных технологий и технических средств для управления газовыделением в угольных пластах с целью снятия ограничения производительности очистного забоя по «газовому барьеру», обеспечения безопасности добычи угля и промышленного извлечения углеметана.

Известно, что снижение эффективности дегазации на больших глубинах обусловлено низкой газоотдачей неразгруженных угольных пластов и уменьшением их природной газопроницаемости в связи с ростом горного и пластового (газового) давлений [1].

К наиболее применяемым на метанообильных шахтах России, Казахстана, Китая и США методам искусственного стимулирования газоот-дачи угольных пластов можно отнести [2]:

- гидрорасчленение пласта путем инъекции под давлением до 100 МПа различных флюидов - пропантов и применения закрепителей образовавшихся в нем трещин;

- гидрокавитационная обработка и принудительный отсос метана из призабойных зон дегазационных скважин;

Однако сочетание дегазации угольного пласта с его гидроразрывом высоким напором воды не приводит к существенному повышению газопроницаемости увлажненного пласта в связи с блокировкой метана в микротрещинах и порах капиллярным давлением воды после депрессии [3]. Поэтому применяемые технологии малоэффективны вследствие ограниченного радиуса зоны воздействия (не более 10-20 радиусов дегазационной скважины).

Повышение температуры угольного пласта также не приводит к существенному увеличению метаноотдачи вследствие незначительного проникновения в глубину углевмещающего массива применяемых тепловых, в частности, термогазодинамических воздействий и большой их энергоемкостью и большой их энергоемкостью [4].

Модельными исследованиями установлено, что процессы поверхностной адсорбции в системе «угольный пласт - метан» могут стать обратимыми под влиянием даже слабых динамических воздействий, в т.ч. низкочастотных механических колебаний в результате повышения коллекторских свойств (трещиноватости) пласта и разрушения динамически неустойчивых слоев адсорбции метана [5]. В Институте горного дела СО РАН на основе анализа результатов натурных экспериментов по исследованию виброчувствительности различных продуктивных пластов (нефтяных, газоконденсатных) обоснован бесшахтный («промысловый») метод повышения газоотдачи угольных пластов в условиях природного залегания через скважины, пробуренные с поверхности, на основе низкочастотного сейсмоволнового вибровоздействия на пласт от мощного наземного виброисточника сейсмических колебаний [6].

Данный метод в перспективе может стать основой сейсмоволновой геотехнологии заблаговременной дегазации свиты угольных пластов, подготавливаемых к отработке. Однако

а) схема установки н диаграмма напрвленностн полтемного внброисгочннка:

I - внбронеточннк; 2 - горная выработка (штрек); 3 - лега (анионная скважина (барьерная); 4 • сейсмолучсвая трубка вертнкалыю-полярн тованиых поперечных БУ-волн;

б) график итмснсния интенсивности сейсмических колебаний ($У>волн) в угольном пласте

Рпс.2. Паспорт прочности и шменение напряженио-деформированного состояния угольного пласта срелнсй крепости при вибровоиействии:

I • круг напряжений в пласте до внброво«действия; 2 * круг “кватипрсдсльных" напряжений в пласте в результате вибровоздействия; 3 - предельный кру| напряжений в угле на одноосное сжатие; 4 • предельный круг напряжений в уме на одноосное растяжение; МП • паспорт прочности угля

применение такой схемы для стимулирования газоотдачи при проведении шахтных дегазационных работ ограничено возможностью провоцирования горно-тектонических ударов и внезапных выбросов угля и газа в неразгруженных угольных пластах (в зонах влияния опорного давления). В связи с этим наиболее приемлемой является концепция шахтной дегазации, основанная на применении сейсмоволнового воздействия от подземного виброисточника, одновременно обеспечивающего необходимый уровень, локализацию («точечность») и глубину проникновения вибровоздействия в метанонасыщенный пласт (рис. 1). При этом главным фактором при выборе схемы и определении сейсмических параметров подземного виброисточника является изучение механизма влияния продолжительной сейсмической виб-

рации на изменение напряженно-деформированного состояния и трещиноватости неразгруженного угольного пласта.

Один из возможных механизмов сейсмоволнового вибровоздействия на угольный пласт, находящийся в допредельном напряженном состоянии, может быть установлен на основе гео-синергетического подхода. Суть заключается в том, что уровень упругих напряжений в пласте (круг 1, рис. 2) в условиях природного залегания на сверхглубоких горизонтах (свыше 1500 м) не превышает предельных значений, ограниченных паспортом прочности углей средней крепости, характеризуемых коэффициентом прочности / «1,5, коэффициентом сцепления к ~ 2,0 МПа и углом внутреннего трения (р«600 (ПП,

рис. 16). Даже при таких сравнительно высоких параметрах напряженно-деформированного состояния в угольном пласте существует дефицит удельной потенциальной энергии упругой деформации ^ , необходимой

У

для компенсации затрат удельной поверхностной энергии и

при образовании в нем хрупких трещин, что исключает вероятность развития автоматического процесса образования в угольном массиве новых трещин разрушения под действием горного давления, т.к. д

— (ж - и )< 0,

где I - длина трещины Гриффитса.

Следовательно, согласно условию (1) при росте горного давления с глубиной залегания пласта природные микропоры и микротрещины в нем будут спонтанно залечиваться, а модули системных трещиноватостей (послойной, нормально-и кососекущих) и, следовательно, газопроницаемость и газоотдача угольного пласта будут снижаться.

Таким образом, образование вертикальных (нормальносекущих) трещин в угольном массиве, в котором вертикальная составляющая горного давления превосходит горизонтальную, согласно установленного А.А. Воробьевым принципа избирательного разрушения более прочной компоненты массива горных пород [7] возможно инициировать путем динамического воздействия на него, в частности, упругими волнами сжатия или сдвига, распространяющимися в объеме горной среды.

Процесс избирательного разрушения находящегося под действием горного давления угольного пласта при сейсмическом вибровоздействии обусловлен тем, что скорость распространения сейсмической волны (продольной или поперечной) в более прочной части пласта выше, чем в менее прочной, а время до хрупкого разрушения соответственно меньше. При этом рост вертикальной трещиноватости угольного пласта при вибровоздействии, как правило, сопровождается одновременным снижением бокового давления

вплоть до возможного проявления растягивающих напряжений (круг 2, рис. 2). Вероятность такого синергетического перехода угольного пласта из естественного напряженного состояния (круг 1, рис. 2) в разупрочнен-ное («квазипредельное»)состояние (круг 2, рис. 2) под действием продолжительной сейсмической вибрации ассоциируется с поглощением энергии сейсмических волн V на увеличение

трещиноватости массива. Уравнение энергетического баланса при образовании наведенной

микротрещиноватости под действием распространяющихся в пласте сейсмических волн имеет вид

= лму =-^иa,

где ДМ = 1т/г - удельная (на единицу объема) вибросейсмическая энергия, излучаемая в угольный массив (I - интенсивность сейсмо-волнового поля; г - время вибровоздействия; г -радиус проникновения сейсмических волн в массиве);

ДМ = V - V - увеличение удельной упругой

у у2 у1

энергии массива при вибровоздействии (V < V - удельные потенциальные энергии

у1 у2

объемной деформации массива соответственно до и после вибровоздействия);

ДЦ = 2a£hn - поглощение удельной поверх-

а

ностной энергии при образовании наведенных вибрацией трещин в массиве (а - поверхностное натяжение, определяемое коэффициентом сцепления к угля; £, h - линейные размеры трещин Гриффитса; n - число трещин в единице объема массива).

Схема сейсмоволнового вибровоздействия на угольный пласт (рис. 1) определется следующими обстоятельствами. В связи с тем, что касательные напряжения г в условиях трехост-ного предельно-напряженного состояния пласта (т. к на круге 2, рис. 2) контролируют наиболее важную - первую стадию процесса хрупкого разрушения при вибровоздействии, а именно, образование зародышевых трещин, рост которых уже будет происходить под действием нормальных напряжений а, вибросейс-мическую обработку пласта целесообразно производить сдвиговыми (поперечными) волнами, ускоряющими развитие плоскостей скольжения в массиве [7]. Такую поляризацию распространяющихся в угольном пласте сейсмических волн можно создать с помощью виброисточника, установленного в горной выработке в распор между почвой и кровлей и совершающего вынужденные колебания в вертикальном направлении (рис. 1а). В теории вибрационного излучения сейсмических волн такая схема шахтного виброисточника адекватна модели осциллирующего в безграничной упругой среде источника, заданного в виде абсолютно жесткого шара, сцепленного со средой через две противоположные лобовые поверхности в местах контакта виброисточника с кровлей и почвой выработки [8].

В сферической системе координат (г; 0;^) в любой вертикальной плоскости, проходящей через начало координат = const),

диаграмма направленности подземного виброисточника будет складываться из излучения в вертикальных направлениях © = 0' л (в почву и кровлю пласта) продольных Р - волн, а в горизонтальных направлениях напластования © = ж/2;3^ вертикально поляризованных поперечных SV - волн (рис. 1а). Решением для вибросмещений U частиц угольного пласта в

сейсмолучевых трубках поперечных SV - волн является функция:

г ,

Use= U.-^sin ©’ ^

Г

где Г0 - приведенный радиус сферической мо-

- ампли-

дели виброисточника; и _

0 4я-/?К>о

туда вертикальных колебаний виброисточника (г = г0). При этом Е0, - амплитута силы вибровоздействия на среду в, р= 1400 кг/м3 - плотность угля, / = 400 м/с - скорость поперечных волн в

угольном пласте.

Величины параметров сейсмоволнового вибровоздействия, необходимые для достижения требуемого технологического эффекта, определяются из условия (2), где ключевым моментом является величина изменения удельной потенциальной энергии массива при вибровоздействии

ДМ = - V,.

у У2 У1

При этом

V 2 = — к2, + 2ст;

2Е' '2

V1= 2Е ^+ 2а'1" 2у(2а*а*1+

Полагая для угля средней крепости на глубине Н = 1500 м Е — 0,5 • 109Па и у = 0,2, величины нормальных напряжений, входящих в выражения (4), определяются как: о-г1 = pgH = 1400 • 10 • 1500 = 6 • 106(Па);

2 (Па);

0,2

6-106 = 1,5-106

1 -V 1 - 0,2 2 = ол = 6 • 106 Па; и ж —0,5 • 106 Па (согласно кругу напряжений 2, рис. 2).

Подставляя эти значения напряжений в (4), имеем величины для потенциальных энергий упругих деформаций массива:

V1 х 2 4 • 103 Па (до вибровоздействия);

V ~ 8 8 • 103 Па (после вибровоздействия).

У2 1

Под действием вибрации изменение удельной потенциальной энергии угольного массива составит

AVy = 2 -- (8,8-2,4)-103 = 6,4-103

(Па) у у

Из уравнения (2) необходимая величина плотности потока сейсмоволновой

энергии в угольном пласте на расчетном удалении от выработки г = 50 м с технологической длительностью

вибровоздействия т =10 час, составит

50

I = т - = 6,4-103-------------:

ут 10 • 3600

(Вт/м2).

Величину интенсивности вибросейсмического ПОЛЯ в угольном пласте с другой стороны можно выразить через сейсмическую жесткость среды р]/ и аплитуду виброскорости Ц, = а>и J

((у = 2ж[ - круговая частота,

/ - частота колебаний), либо амплитуду колебаний ее частиц и в поперечной 8/ -

: 9,0

волне по направлениям © = ^2;3^/2 (рис. 1а) соответственно

I = р¥—- = рУаг ^. н * 2 н * 2

Выражая — из (5) и приравнивая — определяемой согласно (3) при 0 = ^2 можно

получить выражение для силовой характеристики подземного виброисточника, создающего в пласте сейсмоволновое поле необходимой интенсивности, а именно

^0 - 2^р1р/:

Величина зоны эффективного проникновения вибровоздействия в угольный пласт будет определяться снижением интенсивности сейсмических колебаний в связи с геометрическим расхождением поперечных волн в сейсмовол-новой трубке (рис. 1а), излучаемых точечным виброисточником (г0 «А = V //). Из уравнения (3), полагая ©=^/2, имеем выражение

для определения эффективного радиуса вибровоздействия на угольный пласт в виде

^ 1

и г / г

^ 0 ' 0

графически представленное на рис. 16. Из (7) следует, что, если ограничить предельное снижение сейсмической вибрации в пласте на порядок (и,/и0 » 0,1), то эффективный радиус увеличения трещиноватости и повышения

газоотдачи угольного пласта не будет превышать г < 40 ^ 50 м. Расширение зоны сейсмо-

эф —

волнового вибровоздействия возможно путем увеличения его длительности т, либо увеличением амплитуды силы Е0 вибрационного воздействия на среду (мощности виброисточника).

Проведенные в [9] исследования и расчеты позволили разработать техническое решение подземного виброисточника сейсмических колебаний для интенсификации газоотдачи угольных пластов с амплитудой силы воздействия на пласт до 40 Тс в частотном интервале 10^40 Гц (рис. 3а). Виброисточник снабжен дебалансным вибровозбудителем 1 с пневмоприводом 2 (Р =6 атм; Q < 5 нм3/мин) и устанавливается на передвижной платформе 3 «в распор» подготовительной или специальной горной выработки (штрека) посредством винтовых стоек 4. Для резонансной адаптации виброисточника в интервале рабочих частот вибровоздействия применяется пневмоупругая подвеска его колебательной системы посредством пневматических резинокордных костров 5 с регулируемой жесткостью путем изменения давления воздуха в пневмомешках подвески в пределах 1,5^5 атм. При этом амплитуда вынуждающей силы дебалансного вибровозбудителя не превышает 10 Тс (рис. 36), а масса виброисточника (в сборе) - 500 кг.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горные науки: Освоение и сохранение недр Земли / Под ред. акад. К.Н. Трубецкого. - М.: Изд-во АГН., 1997. - 480 с.

2. Проблемы разработки метаноопасных пластов в Кузнецком угольном бассейне / Ю.Н. Малышев, М.П. Васильчук и др.- М.: изд-во АГН, 1997. - 463 с.

3. Егоров П.В., Штумпф Г.Г., Ренев А.А. и др. Геомеханика: Учебное пособие / Кузбасс. гос. техн. унт.- Кемерово: Кузбассвузиздат, 2001.-276 с.

4. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н, Айруни А.Т. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов.- М.: Изд-во АГН, 2000.519 с.

5. Мирзаджанзаде А.Х., Ахметов И.М., Ковалев А.Г. Физика нефтяного и газового пласта. - М.: Недра, 1992.- 272 с.

6. Макарюк Н.В., Клишин В.И., Золотых С.С. Исследование влияния виброчувствительности горных пород на метаноотдачу угольных пластов при вибро-сейсмическом воздействии //Горный информационноаналитический бюллетень.- М.: Изд-во МГГУ, № 6. 2002, 66-70 с.

7. Воробьев А.А. Накопление нарушений, повреждения структуры, разрушение материалов и горных пород / Изд-во Томского ун-та, 1973. - 575 с.

8. Чичинин И.С. Вибрационное излучение сейсмических волн.- М.: Недра, 1984,- 224с.

9. Макарюк Н.В. Динамика и энергетика адаптивных колебательных систем вибромашин для сейсмо-

волновых геотехнологий // Материалы межд. конф. «Динамика и прочность горных машин», Новосибирск, 2001, 99-103 с.

— Коротко об авторах ------------------------------------

Макарюк Н.В. - кандидат технических наук, ИГД СО РАН, г. Новосибирск.

------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ГОРНЫЙИНСТИТУТКОЛЬСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН

ГОЛОВАТАЯ Оксана Сергеевна Изучение анизотропии упругих свойств и ее влияния на напряженное состояние пород верхней части земной коры (на примере Кольской сверхглубокой скважины0 25.00.20 к.т.н.