Результаты моделирования геомеханических процессов в углевмещающей толще при извлечении из нее флюидов

© В.В. Гурьянов, В.А. Трофимов, В.М. Шик, 2002

УДК 550.3.004.68

В.В. Гурьянов, В.А. Трофимов, В.М. Шик

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В УГЛЕВМЕЩАЮЩЕЙ ТОЛЩЕ ПРИ ИЗВЛЕЧЕНИИ ИЗ НЕЕ ФЛЮИДОВ

П

роведенные в 1999-2000 гг. в рамках проекта "Углеметан" теоретические, аналитические и лабораторные исследования способности высокогазоносных угольных пластов к метаноотдаче и определения условий ее стимулирования позволили сделать вывод, что одним из важнейших факторов, определяющих газоотдачу пластов, является изменение напряженно-деформированного состояния углевмещающей толщи.

Известно, что основные углеметановые месторождения России представляют из себя мощные углевмещающие толщи, включающие десятки высокогазоносных угольных пластов и пропластков, извлечение газа из которых приведет к существенному нарушению естественного геомеханиче-ского состояния горного массива.

Опыт разработки месторождений нефти и газа свидетельствует о возможности появления негативных последствий извлечения углеводородов из недр, в том числе изменения проницаемости коллекторов и их способности к флюидоотдаче.

Разработка и опыт применения в угольной промышленности теории "защитных пластов", основывающейся на эффектах «подработки-надработки» пластов, для борьбы с газодинамическими явлениями в шахтах и снижения газоносности угольных пластов показали, что они обеспечивают разуплотнение горного массива и разгрузку угольных пластов от горного давления, повышая при этом их проницаемость на 2-4 порядка. Было также установлено, что разгружающий эффект "подра-ботки-надработки" пластов зависит от гор-

но-геологических условий их залегания и ряда производственнотехнических факторов [1, 2, 3].

Указанные посылки свидетельствуют о необходимости исследования изменения геомеханического состояния высокогазоносных углевмещающих толщ при извлечении из них флюидов (газ, вода).

Анализ возможных методов исследований геомеханического состояния горных массивов при освоении месторождений полезных ископаемых позволил установить целесообразность применения математического (с применением ЭВМ) и физического моделирования происходящих в недрах процессов, а также проведения соответствующих натурных наблюдений и экспериментов, что и было принято нами при планировании комплекса исследований геомеханиче-ских процессов, происходящих при извлечении флюидов из углевмещающих толщ.

Ранее выполненные теоретические исследования взаимосвязи гео-механических и газодинамических процессов, происходящих в горном массиве при извлечении метана из угольных пластов, и постановочный этап компьютерного моделирования этих процессов свидетельствуют о возможности исследования геомеха-нического состояния углевмещающей толщи при извлечении из нее флюидов с применением математического моделирования, основывающегося на представлении деформирующегося массива как сплошной среды, поведение которой может описываться на основе теории упругости. Однако такой подход имеет ряд ограничений и применим для решения узкого круга вопросов.

Проведенный анализ современных методов численного решения задач прогнозирования геомеханиче-ского состояния горного массива на базе компьютерных технологий позволил обосновать целесообразность использования метода конечных элементов в варианте программного комплекса «Недра», разработанного во ВНИМИ [4, 5]. Этот метод дает возможность реализовать упругопластическое решение геомеханических задач, более приближенное к натурным условиям.

На основе указанного подхода были разработаны методы проведения исследований и выбраны программные средства.

В связи с большим разнообразием горно-геологических и производственно-технических условий производства работ по извлечению метана из неразгруженных угольных пластов и возможностью их учета на данном этапе исследований для прогнозирования изменения геомеханического состояния горного массива при отборе газа были определены пять важнейших задач, учитывающих влияние основных горно-геологических факторов на сдвижение горного массива и формирование напряженно-

деформированного состояния слагающих его горных пород и угольных пластов. К этим факторам отнесены: усадка (уменьшение мощности) дегазируемых угольных пластов; структура массива горных пород и их прочностные свойства; мощность, глубина залегания и углы падения дегазируемых пластов; степень отбора метана из угольных пластов; порядок отбора метана из пластов углевмещающей толщи.

Перечень основных задач исследований.

1. Моделирование «усадки» пологих угольных пластов различной мощности, залегающих на глубине 600 м, при разной степени отбора метана.

2. Моделирование влияния глубины залегания «отрабаты-ваемого» пласта средней мощности (т = 3 м) на его усадку при различной степени отбора метана.

3. Моделирование сдвижения углевмещающей толщи и оценка «уровня» разгрузки слагающих ее слоистых

пород средней мощности и прочности в зависимости от глубины залегания «отраба-тываемого» одиночного пласта и величины его усадки.

4. Моделирование сдвижения углевмещающей толщи и оценка «уровня» разгрузки слагающих ее слоев и угольных пластов при различной структуре горного массива, включая наличие породы-моста, и различной усадке «отрабатываемого» пласта.

5. Моделирование сдвижения углевмещающей толщи, сложенной слоями пород средней мощности и прочности, и оценка «уровня» разгрузки слагающих ее пород, включая угольные пласты, при изменении усадки «отрабатываемых» пластов и различном порядке их отработки (восходящем, нисходящем, одновременном).

При этом общее число проведенных математических (числен-ных) экспериментов на данном этапе исследований составило около 100.

Указанные исследования были проведены в два этапа.

На первом этапе исследовалось изменение напряженно-

деформированного состояния углевмещающей толщи в зависимости от влияния горно-геологических факторов, степени и порядка отбора газа из толщи при извлечении газа из одиночного пласта.

Проведенное компьютерное моделирование применительно к условиям первого этапа работы позволило получить следующие результаты.

1. Для угольных пластов мощностью от 1 до 10 м, залегающих на глубине от 300 до 1800 м, при степени отбора метана от 10 до 80 % усадка составляет 0,42-1,76 % от мощности угольного пласта. При этом зафиксировано уменьшение усадки пласта с увеличением глубины его залегания. Указанные величины приближаются к теоретически определяемым значениям усадки угольных пластов при их дегазации, что свидетельствует о правильности выбранных условий моделирования.

Учитывая сложность строения угольных пластов, их значительную нарушенность (эндоген-ная и экзогенная трещиноватость), можно предполагать, что в натурных условиях усадка пластов будет значительно больше, что позволяет принять для моделиро-

вания ее значения в пределах от 1 до 10 %.

2. При отборе метана из угольных пластов происходит разуплотнение горного массива и разгрузка угольных пластов от горного давления. Результаты одного из экспериментов свидетельствуют: если принять за критерий разгрузки снижение напряжений на 20 %, то величина зоны разгрузки при глубине залегания пласта, равной 300 м, и степени отбора газа, равной 80 %, составляет: для подработанного массива - 40 м (по нормали к напластованию), а для надработанного - 25 м.

Параметры формирующихся зон разгрузки зависят от структуры массива, мощности дегазируемых пластов, глубины их залегания и степени отбора газа.

3. При извлечении газа из угольных пластов наблюдаются геомеха-нические эффекты, аналогичные таковым при их разработке (добыче). В частности, разгрузка пластов при многократных под- и надработках может достигать существенных величин. Так, при четырехкратной подработке угольного пласта, залегающего на глубине 570 м, зафиксировано уменьшение величины нормальных напряжений на 25-30 %.

4. В случае залегания в породах междупластья слоев пород с прочностью, существенно превышающей окружающие (так называемая «порода-мост»), распределение напряжений в массиве при дегазации угольных пластов может иметь иную картину, чем при однородных слоях пород. При этом наблюдается уменьшение напряжений между дегазируемым пластом и породой-мостом, в то же время разгружающий эффект выше породы-моста практически не проявляется.

5. Изменение угла падения дегазируемой угленосной толщи существенно не меняет закономерностей ее деформирования в зависимости от горно-геологических факторов, определяя лишь параметры зоны разгрузки и величины вертикальных и горизонтальных напряжений.

6. Проведенное моделирование

подтвердило правомерность выдвинутой гипотезы о схожести механизмов изменения напряженно-

деформированного состояния углевмещающей толщи горных пород при

извлечении газа из угольных пластов и при подземной разработке угольных пластов (особенно с закладкой выработанного пространства).

Второй этап компьютерного моделирования состоял в оценке изменения напряженно-дефор-

мированного состояния углевмещающего массива горных пород при извлечении метана из продуктивной группы пластов или нескольких групп при различной последовательности их дегазации (различном порядке отбора газа из углевмещающей толщи).

Для решения поставленных задач разработана программа и методика проведения НИР, отражающие изменение напряженно-деформированного состояния массива в результате усадки угля в пределах продуктивной группы пластов. Рассмотрены два возможных подхода. Первый основывается на результатах исследований, выполненных в 2000 г., и заключается в суммировании эффектов от дегазации отдельных пластов, составляющих продуктивную группу. Второй - рассмотрение продуктивной группы в целом в качестве однородного массива с усредненными деформационными и фильтрационными свойствами, при дегазации которого не рассматривается изменение напряженного состояния в пределах продуктивной группы. На основе этого подхода разработаны численные процедуры решения соответствующих геомеханических задач, основанные на использовании как аналитических решений, так и численных алгоритмов метода конечных и граничных элементов. Разработаны и адаптированы программы, реализующие предложенные численные процедуры. Результатами расчетов являются напряжения во вмещающем массиве горных пород, положение и конфигурация зон пригрузки и разгрузки от горного давления, а также параметры смещения массива.

При проведении компьютерного моделирования было рассмотрено влияние одновременной дегазации всех угольных пластов в пределах одной продуктивной группы на напряженно-деформированное состояние вмещающего массива горных пород. Соответствующие расчеты были проведены для нисходящего и восходящего порядка отработки продуктив-

ных групп. Был смоделирован также вариант одновременной отработки всех продуктивных групп пластов.

Проведенные исследования позволили получить следующие результаты:

а) при усадке пород в пределах области дегазации во вмещающем массиве формируются области разгрузки и пригрузки как по вертикальным, так и по горизонтальным напряжениям. Накладываясь друг на друга, они могут способствовать или препятствовать увеличению проницаемости угольных пластов и, следовательно, газоотдаче;

б) области разгрузки по вертикальным напряжениям приурочены к кровле и почве дегазируемой зоны, причем в кровле они более развиты. Это способствует дегазации смежных продуктивных групп, которые в дальнейшем будут включены в процесс добычи. Однако при отработке первой продуктивной группы пластов (примерно 100 м мощности) возле вертикальной границы дегазируемой зоны имеет место концентрация вертикальных напряжений, которые затрудняют продвижение фронта дегазации и могут полностью его остановить;

в) при нисходящем порядке «отработки» углевмещающей толщи по мере включения в процесс извлечения метана новых продуктивных групп размеры областей разгрузки и темпы снижения напряжений в них уменьшаются, т.е. каждая новая группа будет отрабатываться в относительно худших условиях;

г) при восходящем порядке дегазации продуктивных групп пластов углевмещающей толщи размеры и интенсивность напряжений в зонах разгрузки, формирующихся в почве продуктивного интервала, уменьшаются, а в кровле - возрастают. При этом условия отработки вновь подключаемых групп заметно улучшаются;

д) области разгрузки по вертикальным напряжениям возникают и возле вертикальной границы дегазируемой области при достаточной ее протяженности, т.е. при отработке 2-3 продуктивных групп пластов;

е) у вертикальной границы дегазируемой области при одновременном извлечении газа из всех угольных пластов продуктивной группы или

всех продуктивных групп возникает зона разгрузки по горизонтальным напряжениям. Вместе с предыдущим положением это означает, что впереди фронта дегазации при любом его продвижении формируются области разгрузки по вертикальным и горизонтальным напряжениям, что должно способствовать увеличению проницаемости угольных пластов;

ж) наиболее эффективной, с точки зрения размеров зон разгрузки и снижения действующих напряжений в слоях горных пород и дегазируемых угольных пластах, является восходящий порядок отработки продуктивных групп пластов;

з) компьютерное моделирование

изменения напряженно-

деформированного состояния углевмещающей толщи при предварительном извлечении воды из водоносных горизонтов свидетельствует об образовании зон разгрузки в этой толще и ее разуплотнении. Оценка этих явлений может быть дана на основе проведения ряда дополнительных экспериментов с изменением параметров «осушения» горных пород.

Проведенные исследования гео-механического состояния углевмещающей толщи при извлечении из нее флюидов с использованием метода компьютерного моделирования свидетельствуют о возможности получения качественной картины сдвижения горных пород и формирования зон разгрузки-пригрузки и их предварительной оценки. Вместе с тем следует отметить недостаточную информативность получаемых при этом моделировании результатов.

С целью повышения информативности выполняемого исследования и визуализации его результатов следует рекомендовать проведение физического моделирования геомеханиче-ских процессов, происходящих в углевмещающей толще при извлечении из нее флюидов, в том числе и с применением эквивалентных материалов.

Сравнение результатов выполненных исследований геомеханических процессов, происходящих в углевмещающей толще горных пород при извлечении из них газа на основе использования компьютерного моделирования, с результатами, полученными в 2000 г. [6] при отработке трех моделей из эквивалентных материа-

лов, имитировавших высокогазоносную пологозалегающую угленосную толщу, показало их удовлетворительную сходимость.

Предварительные выводы и рекомендации

Комплекс выполненных исследований по оценке геомеханического состояния горного массива и его изменения в процессе извлечения флюидов из недр позволил получить результаты, определяющие новое направление в разработке перспективных технологий по заблаговременному извлечению и промысловой добыче метана из высокогазоносных угольных месторождений. Эти исследования также подтвердили возможность и целесообразность применения методов компьютерного и физического моделирования для изучения указанных процессов.

Одним из важнейших результатов этих исследований является подтверждение правомерности ранее выдвинутой гипотезы об идентичности механизма деформирования углевмещающей толщи при подземной разработке угольных пластов и при заблаговременном извлечении (отборе) метана из неразгруженных пластов угля, позволяющей применить теорию защитных пластов к оценке процессов деформирования неразгруженной углевмещающей толщи при извлечении метана из угольных пластов.

Выполненные в ИПКОН РАН и ВНИМИ исследования геомеханиче-ского состояния горного массива при извлечении метана из угольных пластов подтвердили образование зон разгрузки и пригрузки в слагающих его слоях пород, существенно влияющих на их проницаемость.

В частности, установлено влияние на процесс формирования этих зон и их параметры (размеры по простиранию и по нормали к напластованию, а также на характер и величину формирующихся в этих зонах напряжений) горно-геологичес-ких характеристик углевмещающей толщи и порядка отбора газа из угольных пластов. Выявлен также разгружающий эффект на горный массив предварительной откачки воды из водоносных горизонтов.

Анализ проведенных исследований позволяет говорить о целесообразности разработки способов повы-

шения проницаемости угольных пластов и их газоотдачи на основе применения соответствующих методов управления геомеханическими процессами в углевмещающей толще при извлечении из нее флюидов.

В связи с тем что интенсификация газоотдачи угольных пластов на основе управления геомеханическими процессами базируется на осуществлении разуплотнения (разгрузки) горных пород и угольных пластов, она применима практически в любых горно-геологических условиях.

Универсальность данного способа интенсификации газоотдачи угольных пластов позволяет также использовать его в сочетании с другими способами, основывающимися на применении

различных техногенных воздействий на горный массив. Первоочередное применение этого способа позволит существенно повысить эффективность этих воздействий. С учетом этого фактора можно планировать использование более простых и дешевых физических методов интенсификации газоотдачи пластов, таких как ультразвуковое и виброволновое воздействие.

Приведенные результаты первой части программы компьютерного моделирования геомеханических процессов, происходящих в неразгруженной углевмещающей толще при извлечении из нее метана и воды, вследствие незначительного числа проведенных экспериментов следует считать оценочными. Необходимо

увеличить количество моделируемых задач и численных экспериментов.

Важные результаты могут быть получены при выполнении комплекса работ по решению одних и тех же задач моделирования при одинаковых условиях их постановки, но выполняемых различными методами, например, физическое моделирование с использованием эквивалентных материалов и компьютерное моделирование с использованием метода конечных элементов. Сопоставление полученных при этом результатов позволит уточнить методику проводимых экспериментов и повысить их разрешающую способность.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Защитные пласты. - Л.: Недра, 1972, 424 с. (ВНИМИ).

2. Иофис М.А. Научные основы управления деформационными и дегазационными процессами при разработке полезных ископаемых. - М.: ИПКОН РАН, 1984, 230 с.

3. Теория защитных пластов. - М.: Недра, 1976, 187 с.

4. Мустафин М.Г. К созданию экспертной системы прогноза устойчивости горных выработок. - В кн.: Эффективная и безопасная подземная добыча угля на базе современных достижений геомеханики. Международная конференция 17-21 июня 1996 г., - СПб: ВНИ-МИ, 1996.

5. Мустафин М.Г. Геомеханическая модель системы выработка -вмещающие породы и ее использование при прогнозировании динамических проявлений горного давления. - В сборнике научных трудов "Горная геомеханика и маркшейдерское дело". СПб, ВНИМИ, 1999.

6. Гурьянов В.В. Направления исследований геомеханических процессов в углевмещающей толще горных пород при извлечении метана из неразгруженных пластов и методические подходы к их проведению//Горный информационно-аналитический бюллетень: Изд-во МГГУ, № 5, 2001, с. 14-19.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Гурьянов В.В., Трофимов В.А. — Институт проблем комплексного освоения недр РАН. Шик В.М. - Всероссийский научно-исследовательский маркшейдерский институт.