ОЦЕНКА ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

19. Recommendations for determining the strength and deformation characteristics of concrete under non-axial stress conditions // Research Institute of Concrete and reinforced concrete. Moscow: NIIZHB, 1985. 72 p.

УДК 550.834.05

ОЦЕНКА ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ

УГОЛЬНЫХ ШАХТ

В.И. Клишин, О.В. Тайлаков, С.В. Соколов, М.П. Макеев

Рассмотрено влияние технологических процессов подземной угледобычи и стимулирования газоотдачи при гидроразрыве угольных пластов на напряженно-деформируемое состояние горных пород выемочных участков угольных шахт. Приводятся результаты применения комплексного подхода, основанного на совместном применении сейсмоакустического профилирования и численного моделирования для уточнения горно-геологических и горнотехнических условий разработки угольных пластов. Показана удовлетворительная сходимость результатов численного моделирования и натурных наблюдений, выполненных на основе периодического эхолокационного мониторинга горизонтальных скважин пластовой дегазации в условиях угольной шахты Кузбасса.

Ключевые слова: угольный пласт, кровля, напряженно-деформированное состояние, трещинно-поровое пространство, геомеханические параметры, акустические волны, сейсмическая томография, кинематические параметры.

При угледобыче подземным способом условно можно выделить два типа процессов, которые оказывают заметное влияние на изменение структурных характеристик массива горных пород: непосредственно очистные работы, сопровождающиеся подвиганием забоя [1], и гидровоздействие на углепородный массив, направленное на разупрочнение угольного пласта и вмещающих пород [2]. В совокупности эти виды техногенного воздействия вызывают изменения геомеханического состояния углепородного массива [3], обусловливающие необходимость разработки и применения мероприятий для исключения простоев горношахтного оборудования, которые могут быть вызваны, например, загазированием очистных или выемочных участков. Для выбора и обоснования рациональных мероприятий и корректировки планов развития горных работ представляется целесообразным применение комплексного подхода, основанного на совместном использовании сейсмоакустического профилирования с элементами сейсмической томографии [4 - 8] и численного моделирования, для мониторинга фактического состояния углепородного массива при выемке угля и применении гидроразрыва [9] совместно с периодическим мониторингом стволов дегазационных скважин на основе ультразвуковой эхолокации [10] с возмож-

ностью прогнозирования влияния этих технологических процессов на изменение горнотехнических условий ведения горных работ.

Предложенный подход опробован в условиях угольных месторождений Кузбасса. В границах исследуемых выемочных участков отрабатываемые угольные пласты имеют преимущественно сложное строение, среднюю мощность 1,8 м и залегают в толщах вмещающих пород, представленных алевролитами, аргиллитами и песчаниками. В пределах отдельных исследуемых объектов имеются геологические нарушения, зоны локальной повышенной трещиноватости, участки скопления воды.

В выполненных сейсмических измерениях исследовалось геомеханическое состояние пород активной кровли и определялись участки угольного пласта с измененным напряженно-деформированным состояние до и после проведения гидроразрыва на основе оценки кинематических параметров сигнала. В сейсмических измерениях применялся комплект шахтной многоканальной геофизической аппаратуры с несколькими пунктами приема сейсмических сигналов, оснащенной автономными регистраторами Р-1, геофонами GS-20DX и механическим ударным источником упругих колебаний с изменяемой массой бойка 4...8 кг [11, 12]. В сейсмических измерениях установлено стабильное состояние активной кровли до гидровоздействия. Диапазон регистрируемых скоростей распространения сейсмических волн составил 1,05. 1,09 км/с (рис. 1, а). В границах исследуемого участка обнаружен протяженный участок Н разупрочнения угольного пласта, характеризующийся снижением скоростей распространения сейсмических волн 1,05.1,06 км/с, и область М с наибольшими скоростями распространения сейсмических волн до 1,09 км/с, в которой уголь обладает большими прочностными характеристиками. Методом сейсмического просвечивания пласта установлено снижение сейсмических скоростей с перераспределением площадей зон Ми Н в зоны М' и Н' после применения гидроразрыва (рис. 1, б).

Для оценки изменения геомеханических параметров углепородного массива построены сейсмотомографические разрезы в активной кровле и рабочем угольном пласте. На сейсмотомографическом разрезе, отражающем разгрузку активной кровли обследованного участка после гидровоздействия, выделены области 1 - 3 наибольшей разгрузки в пределах 5.11 % (рис. 2, а). Прочие участки характеризуются разгрузкой менее 5 %. На сейсмотомографическом разрезе, отражающем разупрочнение угольного пласта в результате гидроразрыва, зарегистрирована протяженная область

4, распространившаяся по всему исследованному интервалу выемочного участка, определяющая разупрочнение угольного пласта в пределах

5. 25 % (рис. 2, б).

Конвейерный штрек а

Конвейерный штрек б

Рис. 1. Интерпретированный геофизический разрез распределения скоростных характеристик в пределах горизонта залегания угольного пласта: а - до гидровоздействия; б - после гидровоздействия

Конвейерный штрек Конвейерный штрек

а б

Рис. 2. Горизонтальные разрезы, отражающие степень разгрузки

углепородного массива: а - в области активной кровли; б - в пределах горизонта залегания

угольного пласта

Устойчивость пробуренных в углепородный массив дегазационных скважин зависит от действующих в нем напряжений [ 13, 14]. При этом подвигание очистного забоя обусловливает изменение напряженно-деформированного состояния горных пород в пределах отрабатываемых

Р^г = VS + Fv;

выемочных участков [15, 16]. Для прогнозирования этих изменений с использованием Structural Mechanics Module программного пакета COMSOL Multiphysics построена и исследована численная модель, описывающая устойчивость стенок скважины под действием горного давления в процессе ее эксплуатации.

cfu dt2

S = Sad + C: sel;

Sad = S 0 +Stap + Sq;

Sel ~S~£ineV

Здесь Fv - объемный вектор силы; S - напряжение, Па; V - оператор дифференцирования; р - плотность угля, кг/м3; Sad - суммарное напряжение; S0,S - начальное и экстремальное напряжения; S - дополнительное напряжение, пропорциональное скорости упругой деформации угольного пласта; С - тензор упругости 4-го порядка; «:» обозначает двойное сжатие; sel - упругая деформация; s - полная деформация; sinel -все неупругие деформации.

Полная деформация при возникновении нагрузки на стенки скважины задавалась выражением

1

£= — 2

Численные эксперименты в среде Comsol Multiphysic б проводились с учетом граничных условий

Би =

РА = ~Рп ,

где Е - модуль упругости Юнга, р - плотность угля.

Моделирование проводилось при Е = 1,5404 МПа и р = 1210 кг/м3, соответствующих усредненным значениям для угольных пластов, при допущении трехосного сжатия и пренебрежимо малых воздействиях горного давления на борт горной выработки [17, 18]. Для двух прямолинейных скважин с межскважинным расстоянием 10 м установлено, что при приближении очистного забоя к дегазационным скважинам от 75 до 50 м деформация скважин происходит преимущественно под влиянием горного давления в 0,7... 1,1 Па-1012. При сокращении расстояния до 25 основное влияние на устойчивость скважин оказывает зона опорного давления (рис. 3). Давления в области заложения дегазационных скважин при приближении от 25 до 5 м изменяются от 0,9 до 1,17 Па-1012.

-I 2,5 - 1,5 J 0,5

0

Рис. 3. Трехмерная модель изменения геометрических параметров дегазационной скважины и горного массива с изолиниями деформации на удалении 25 м от очистного забоя

Для верификации результатов численного моделирования проведено обследование дегазационных скважин методом акустической эхолокации, заключающегося в регистрации интервалов времени между моментами инициации акустического сигнала на устье скважины и прихода отраженной от ее забоя волны [19]. Для возбуждения и регистрации акустического сигнала использовался шахтный эхолот во взрывозащищенном исполнении и сертифицированное для применения в подземных выработках шахт опасных по газу метану и угольной пыли [20]. В натурных наблюдениях определялось изменение протяженности и деформации стволов дегазационных скважин. По мере приближения очистного забоя к обследуемым скважинам установлено постепенное сокращение времени прохождения в ней акустического сигнала. На удалении 25 - 30 м от забоя по простиранию угольного пласта измеренная длина скважин составляла 17 -60 м при их проектной длине 154 - 205 м (в среднем протяженность скважин сократилась на 79 %), что обусловлено изменением напряженно-деформированного состояния вмещающего скважины углепородного массива ввиду смещения зоны опорного давления, формируемой перед очистным забоем, что удовлетворительно согласуется с результатами численного моделирования.

Выполненный комплекс исследований подтверждает принципиальную возможность применения сейсмоакустических методов измерений для определения влияния технологических операций, сопутствующих ведению горных работ, на изменение структурных характеристик углепородного

массива. Установлено, что геомеханические изменения, характеризуемые увеличением объема трещинно-порового пространства, контрастно выделяются в регистрируемом комплексе сейсмической информации в области активной кровли - снижением скорости распространения продольных объемных волн по вмещающим породам, в пределах горизонта залегания угля - снижением скорости распространения поверхностных волн, распространяющихся по угольному пласту. Показано, что приближение очистного забоя к дегазационным скважинам характеризуется постепенным сокращением времени прохождения в них акустического сигнала. На расстоянии 25 - 30 м от забоя измеренная длина скважин сокращается в среднем на 79 %.

Список литературы

1. Ютяев Е.П. Современные вызовы и перспективы развития технологии подземной отработки пологих газоносных угольных пластов // Уголь. 2017. № 5(1094). С. 30-37. DOI 10.18796/0041-5790-2017-5-30-36.

2. Опыт применения направленного гидроразрыва основной кровли при выводе механизированного комплекса из монтажной камеры / В.И. Клишин, Г.Ю. Опрук, А.В. Сентюрев, А.В. Николаев // Уголь. 2015. № 11(1076). С. 12-16. DOI 10.18796/0041-5790-2015-11-12-16.

3. Формирование прогностических параметров динамических явлений у очистных забоев угольных шахт / М. Ройтер, М. Крах, У. Кисслинг, Ю. Векслер // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. 2020. № 6. С. 15-19.

4. Blom N., Gokhberg A., Fichtner A. Seismic waveform tomography of the central and eastern Mediterranean upper mantle // Solid Earth. 2020. Vol. 11. No 2. P. 669-690. DOI 10.5194/se-11-669-2020.

5. Qian J., Zhang H., Westman E. New time-lapse seismic tomographic scheme based on double-difference tomography and its application in monitoring temporal velocity variations caused by underground coal mining // Geophysical Journal International. 2018. Vol. 215. No 3. P. 2093-2104. DOI 10.1093/gji/ggy404.

6. Totaro C., Neri G., Orecchio B. [et al.] Seismotomographic detection of major structural discontinuity in northern Sicily // Italian Journal of Geoscienc-es. 2017. Vol. 136. No 3. P. 389-398. DOI 10.3301/IJG.2016.14.

7. Nazarova L.A., Zakharov V.N., Shkuratnik V.L. [et al.] Use of tomography in stressstrain analysis of coalrock mass by solving boundary inverse problems // 79th EAGE Conference and Exhibition 2017: 79, Energy, Technology, Sustainability - Time to Open a New Chapter, Paris, 12-15 июня 2017 года. Paris, 2017. DOI 10.3997/2214-4609.201701418.

8. Сальников А.С., Канарейкин Б.А., Долгова С.В. Технология и результаты сейсмотомографических исследований на проходящих волнах в

угольных шахтах Кузбасса // Технологии сейсморазведки. 2012. № 2. С. 7488.

9. Клишин В.И., Тациенко А.Л., Опрук Г.Ю. Инновационные методы интенсификации процесса дегазации угольных пластов из подготовительных выработок // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2017. № 6(124). С. 89-97. DOI 10.26730/1999-4125-2017-6-8996.

10. Мониторинг дегазационных скважин методом эхолокации / Д.Н. Застрелов, М.П. Макеев, С.Е. Колесниченко, А.А. Колмакова // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. 2019. № 5. С. 353-356.

11. Тайлаков О.В., Соколов С.В., Салтымаков Е.А. Определение свойств кровли в пределах выемочного столба на основе применения автономных сейсмических регистраторов в шахтных геофизических измерениях // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. 2018. № 4. С. 437-441.

12. Zastrelov D.N., Kormin A.N., Saltymakov E.A., Sokolov S.V., Tayla-kov O.V. Determination of geological conditions of gassy coal seams on the basis of seismic acoustic profiling in underground mine workings // International Scientific Conference «Knowledge-based technologies in development and utilization of mineral resources». 2018. Vol. 206. Article No. 012046.

13. Сердюков С.В., Курленя М.В. Диагностика напряженного состояния массива горных пород методом направленного гидроразрыва // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2017. Т. 2. № 2. С. 31-35.

14. Хямяляйнен В.А., Баев М.А., Шевцов А.Г. О влиянии напряженно-деформированного состояния угольного пласта на проницаемость закрепленной трещины гидроразрыва // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2017. № 6(124). С. 121-127. DOI 10.26730/1999-4125-2017-6-129-134.

15. Шинкевич М.В., Родин Р.И. Волнообразность горного давления при отработке длинных лав // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2020. № 4. С. 90-94.

16. Ремезов А.В., Новоселов С.В. Теоретические и методические вопросы определения параметров опорного давления в горных выработках и практика их применения // Уголь. 2018. № 6(1107). С. 21-25. DOI 10.18796/0041 -5790-2018-6-21-25.

17. A Monitoring Investigation into Rock Burst Mechanism Based on the Coupled Theory of Static and Dynamic Stresses / W. Cai [et al.] // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2020. Vol. 53. No 12. P. 5451-5471. DOI 10.1007/s00603-020-02237-6.

18. Особенности внутренней структуры угольных пластов Кузбасса по материалам сейсмотомографии на проходящих волнах / Б.А. Канарейкин,

К.А. Дунаева, О.М. Сагайдачная, А.С. Сальников // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. 2013. № 3. С. 50-62.

19. Фролова И.В., Солдатова Е.С., Солдатов А.И. Современное состояние и перспективы развития ультразвукового контроля // Сб. науч. тр. Инноватика-2019: XV Междунар. школы-конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск, 25-27 апреля 2019 года. Томск: ООО «СТТ», 2019. С. 90-93.

20. Оценка устойчивости дегазационных скважин в шахтных наблюдениях / О.В. Тайлаков, Д.Н. Застрелов, Е.А. Салтымаков, С.Е. Колесни-ченко // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. 2021. № 7. С. 315-318.

Клишин Владимир Иванович, чл.-корр. РАН, директор, klishinvi@icc.kemsc.ru, Россия, Кемерово, Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук, Институт угля.

Тайлаков Олег Владимирович, д-р техн. наук, проф., зав. Лабораторией ресурсов и технологий извлечения угольного метана, tailakov@uglemetan.ru, Россия, Кемерово, Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук, Институт угля.

Соколов Сергей Владиславович, канд. техн. наук, науч. сотр., sokolov@,uglemetan.ru, Россия, Кемерово, Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук, Институт угля.

Макеев Максим Павлович, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., makeev@uglemetan.ru, Россия, Кемерово, Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук, Институт угля.

EVALUATION OF THE GEOMECHANICAL STATE OF COAL ROCK MASSIF OF COAL

MINES WORKING AREAS

V.I. Klishin, O.V. Tailakov, S.V. Sokolov, M.P. Makeev

The influence of technological processes of underground coal mining and stimulation of gas recovery during hydraulic fracturing of coal seams on the stress-strain state of rocks in the extraction areas of coal mines is considered. The results of applying an integrated approach based on the combined use of seismoacoustic profiling and numerical modeling to refine the mining-geological and mining-technical conditions for the development of coal seams are presented. Satisfactory convergence of the results of numerical modeling and field observations performed on the basis of periodic echolocation monitoring of horizontal wells of reservoir degassing in the conditions of the Kuzbass underground mine is shown.

Key words: шal seam, roof, stress-strain state, fracture-pore space, geomechanical parameters, acoustic waves, seismic tomography, kinematic parameters.

Klishin Vladimir Ivanovich, corresponding member of the russian academy of sciences, director, klishinvi@,icc.kemsc.ru, Russia, Kemerovo, The Federal Research Center of Coal and Coal-Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Science», Institute of coal,

H3Becmg TvafY. HavKH o 3eMne. 2022. Ban. 4

Tailakov Oleg Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, head Laboratory of Coal Methane Extraction Resources and Technologies, tailakov@uglemetan.ru, Russia, Kemerovo, The Federal Research Center of Coal and Coal-Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Institute of coal,

Sokolov Sergey Vladislavovich, candidate of technical sciences, sci. officer, sokolov@Mglemetan.ru, Russia, Kemerovo, The Federal Research Center of Coal and Coal-Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Institute of Coal,

Makeev Maksim Pavlovich, candidate of technical sciences, art. sci. officer, makeev@uglemetan.ru, Russia, Kemerovo, The Federal Research Center of Coal and Coal-Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Institute of Coal

Reference

1. Yutyaev E.P. Modern challenges and prospects for the development of the technology of underground mining of shallow gas-bearing coal seams // Coal. 2017. No. 5(1094). pp. 30-37. DOI 10.18796/0041-5790-2017-5-30-36.

2. Experience of using directional hydraulic fracturing of the main roof when removing a mechanized complex from the mounting chamber / V.I. Klishin, G.Yu. Opruk, A.V. Sentyurev, A.V. Nikolaev // Coal. 2015. No. 11(1076). pp. 12-16. DOI 10.18796/0041-57902015-11-12-16.

3. Formation of prognostic parameters of dynamic phenomena at the treatment faces of coal mines / M. Reuter, M. Krakh, U. Kissling, Yu. Veksler // High-tech technologies for the development and use of mineral resources. 2020. No. 6. pp. 15-19.

4. Blom N., Gokhberg A., Fichtner A. Seismic waveform tomography of the central and eastern Mediterranean upper mantle // Solid Earth. 2020. Vol. 11. No 2. P. 669-690. DOI 10.5194/se-11-669-2020.

5. Qian J., Zhang H., Westman E. New time-lapse seismic tomographic scheme based on double-difference tomography and its application in monitor-ing temporal velocity variations caused by underground coal mining // Geophysical Journal International. 2018. Vol. 215. No 3. P. 2093-2104. DOI 10.1093/gji/ggy404.

6. Totaro C., Neri G., Orecchio B. [et al.] Seismotomographic detection of major structural discontinuity in northern Sicily // Italian Journal of Geosciences. 2017. Vol. 136. No 3. P. 389-398. DOI 10.3301/IJG.2016.14.

7. Nazarova L.A., Zakharov V.N., Shkuratnik V.L. [et al.] Use of tomography in stressstrain analysis of coalrock mass by solving boundary inverse problems // 79th EAGE Conference and Exhibition 2017: 79, Energy, Technology, Sustainability - Time to Open a New Chapter, Paris, June 12-15 2017. Paris, 2017. DOI 10.3997/2214-4609.201701418.

8. Salnikov A.S., Kanarekin B.A., Dolgova S.V. Technology and results of seismotomographic studies on passing waves in Kuzbass coal mines // Seismic exploration technologies. 2012. No. 2. pp. 74-88.

9. Klishin V.I., Tatsienko A.L., Opruk G.Yu. Innovative methods of intensification of the process of degassing coal seams from preparatory workings // Bulletin of the Kuzbass State Technical University. 2017. No. 6(124). pp. 89-97. DOI 10.26730/1999-4125-2017-689-96.

10. Monitoring of degassing wells by echolocation method / D.N. Strelov, M.P. Makeev, S.E. Kolesnichenko, A.A. Kolmakova // High-tech technologies for the development and use of mineral resources. 2019. No. 5. pp. 353-356.

11. Tailakov O.V., Sokolov S.V., Saltymakov E.A. Determination of roof properties within the excavation column based on the use of autonomous seismic recorders in mine geophysical measurements // High-tech technologies for the development and use of mineral resources. 2018. No. 4. pp. 437-441.

12. Zastrelov D.N., Kormin A.N., Saltymakov E.A., Sokolov S.V., Taylakov O.V. Determination of geological conditions of gassy coal seams on the basis of seismic acoustic profiling in underground mine workings // International Scientific Conference «Knowledge-based technologies in development and utilization of mineral resources». 2018. Vol. 206. Article No. 012046.

13. Serdyukov S.V., Kurlenya M.V. Diagnostics of the stressed state of the rock mass by the method of directional hydraulic fracturing // Interexpo Geo-Siberia. 2017. Vol. 2. No. 2. pp. 31-35.

14. Khamalyainen V.A., Baev M.A., Shevtsov A.G. On the influence of the stressstrain state of a coal seam on the permeability of a fixed hydraulic fracturing crack // Bulletin of the Kuzbass State Technical University. 2017. No. 6(124). pp. 121-127. DOI 10.26730/1999-4125-2017-6-129-134.

15. Shinkevich M.V., Rodin R.I. The undulation of mountain pressure during the working off of long lavas // Bulletin of the Scientific Center for the safety of work in the coal industry. 2020. No. 4. pp. 90-94.

16. Remezov A.V., Novoselov S.V. Theoretical and methodological issues of determining the parameters of reference pressure in mine workings and the practice of their application // Coal. 2018. No. 6(1107). pp. 21-25. DOI 10.18796/0041-5790-2018-6-21-25.

17. A Monitoring Investigation into Rock Burst Mechanism Based on the Coupled Theory of Static and Dynamic Stresses / W. Cai [et al.] // Rock Me-chanics and Rock Engineering. 2020. Vol. 53. No 12. P. 5451-5471. DOI 10.1007/s00603-020-02237-6.

18. Features of the internal structure of the Kuzbass coal seams based on the materials of seismotomography on passing waves / B.A. Kanarey-kin, K.A. Dunaeva, O.M. Sagaidachnaya, A.S. Salnikov // Geology and mineral resources of Siberia. 2013. No. 3. pp. 50-62.

19. Frolova I.V., Soldatova E.S., Soldatov A.I. The current state and prospects for the development of ultrasound control // Collection of scientific tr. Innovatika-2019: XV International. schools-conf. of students, postgraduates and young scientists. Tomsk. April 2527, 2019. Tomsk: LLC "STT", 2019. pp. 90-93.

20. Assessment of the stability of degassing wells in mine observations / O.V. Tailakov, D.N. Strellov, E.A. Saltymakov, S.E. Kolesnichenko // High-tech technologies for the development and use of mineral resources. 2021. No. 7. pp. 315-318.