Моделирование сдвижения углевмещающей толщи и оценка уровня разгрузки слагающих ее пород

Проведен анализ основных закономерностей перераспределения напряжений в углепородном массиве, в кровле и почве угольного пласта на стадии предварительной дегазации при подготовке к его извлечению. Основываясь на хорошо известном, полученном экспериментальным путем свойстве угля изменять линейные размеры образцов при сорбции-десорбции ими метана, построены теоретические модели влияния выхода газа из пласта на напряженно-деформирование состояние всего вмещающего массива горных пород. Сама отработка пласта существенно изменяет состояние вмещающего массива, формируя зоны разгрузки и пригрузки. Однако и до начала отработки массив подвергается воздействию дегазационных мероприятий, также с образованием зон разгрузки, хотя и меньшей интенсивности. Наличие таких зон способствует формированию или увеличению проницаемости в тех или иных частях массива и, следовательно, формированию массопереноса метана, в том числе в дегазационные скважины. Задача решается в аналитической постановке путем адаптации известных соотношений теории функций комплексного переменного и решения задачи Кельвина для воздействия силы на упругое полупространство. Показано, что вне зоны разгрузки имеет место пригрузка массива горных пород, которая наиболее интенсивна вблизи границы зоны дегазации, при этом фронт разгрузки одновременно является и фронтом пригрузки пласта.

Захаров В. Н., Трофимов В. А., Шляпин А. В. Моделирование сдвижения углевмещающей толщи и оценка уровня разгрузки слагающих ее пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2022. – № 12. – С. 109–127. DOI: 10.25018/ 0236_1493_2022_12_0_109.

Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, Соглашение № 075-15-2021-943 и European Commission Research Fund for Coal and Steel (RFCS) funded project «Advanced methane drainage strategy employing underground directional drilling technology for major risk prevention and green-house gases emission mitigation» GA: 847338-DD-MET-RFCS-2018/RFCS-2018.

Захаров Валерий Николаевич¹ — академик РАН, Директор ИПКОН РАН, e-mail: ipkon-dir@ipkonran.ru, ORCID ID: 0000-0002-9309-2391,
Трофимов Виталий Александрович¹ — д-р техн. наук, зав. лабораторией, e-mail: asas_2001@mail.ru, ORCID ID: 0000-0001-9010-189X,
Шляпин Алексей Владимирович¹ — канд. техн. наук, заместитель директора по научной работе, e-mail: ipkon-dir@ipkonran.ru, ORCID ID: 0000-0002-9442-0983,
¹ Институт проблем комплексного освоения недр РАН.

Шляпин А.В., e-mail: Shlyapin@mail.ru.

1. Захаров В. Н., Трофимов В. А., Шляпин А. В. Закономерности формирования напряженного состояния горных пород в кровле выработанного пространства при его развитии // Горная промышленность. — 2021. — № 6. — C. 68—75. DOI: 10.30686/1609-9192-20216-68-75.

2. Трофимов В. А., Филиппов Ю. А. Особенности формирования массопереноса метана в породах междупластья // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. — 2021. — № 3. — С. 71—78. DOI: 10.33285/1999-6934-2021-3(123)-71-78.

3. Захаров В. Н., Шляпин А. В., Трофимов В. А., Филиппов Ю. А. Изменение напряженно-деформированного состояния углепородного массива при отработке угольного пласта // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 9. — С. 5—24. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-9-0-5-24.

4. Трофимов В. А., Кубрин С. С., Филиппов Ю. А., Харитонов И. Л. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния вмещающего массива и пологого мощного угольного пласта при завершении отработки выемочного столба // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 8. — С. 42—56. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-08-0-42-56.

5. Trofimov V. A., Filippov Y. A. Influence of stress variation in roof rocks of coal seam on strata gas conditions in longwalling // Journal of Mining Science. 2019, vol. 55, no. 5, pp. 722— 732. DOI: 10.1134/S1062739119056099.

6. Kai L., Daiyin Y., Yeheng S. The mathematical model of stress sensitivities on tight reservoirs of different sedimentary rocks and its application // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2020, vol. 193, article 107372. DOI: 10.1016/j.petrol.2020.107372.

7. Игнатов Е. В. Зависимости и особенности смещений и формирования зон разрушения кровли и краевой части пласта при взаимодействии с элементной базой бесцеликовой технологии // Техника и технология горного дела. — 2020. — № 4. — С. 4—41. DOI: 10.26730/2618-7434-2020-4-4-41.

8. Lubosik Z., Waclawik P., Horak P., Wrana A. The influence of in-situ rock mass stress conditions on deformation and load of gateroad supports in hard coal mine // Procedia Engineering. 2017, vol. 191, pp. 975—983. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.05.269.

9. Akilu S., Padmanabhan E., Sun Z. A review of transport mechanisms and models for uncon-ventional tight shale gas reservoir systemst // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021, vol. 175, article 121125. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121125.

10. Liu T., Lin B. Q., Fu X. H., Liu S. M. A new approach modeling permeability of miningdisturbed coal based on a conceptual model of equivalent fractured coal // Journal of Natural Gas Science & Engineering. 2020, vol. 79, article 103366. DOI: 10.1016/j.jngse.2020.103366.

11. Li Y., You X., Zhao J., Zhang X. Production forecast of a multistage fractured horizontal well by an analytical method in shale gas reservoir // Environmental Earth Sciences. 2019, vol. 78, no. 9, article 27220. DOI: 10.1007/s12665-019-8156-9.

12. Hosseini N., Khoei A. R. Modeling fluid flow in fractured porous media with the interfacial conditions between porous medium and fracture // Transport in Porous Media. 2021, vol. 139, no. 1, pp. 109—129. DOI: 10.1007/s11242-021-01648-5.

13. Zhang R., Cheng Y. P., Yuan L., Zhou H. X., Wang L., Zhao W. Enhancement of gas drainage efficiency in a special thick coal seam through hydraulic flushing // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2019, vol. 124, no. 3-4, article 104085. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2019.104085.

14. Fan J. Y., Liu P., Li J. J., Jiang D. Y. A coupled methane/air flow model for coal gas drainage: model development and finite-difference solution // Process Safety and Environmental Protection. 2020, vol. 141, pp. 288—304. DOI: 10.1016/j.psep.2020.05.015.

15. Kang P. K., Lei Q., Dentz M., Juanes R. Stress-induced anomalous transport in natural fracture networks // Water Resources Research. 2019, vol. 55, no. 5, pp. 4163—4185. DOI: 10.1029/2019WR024944.

16. Lei Q., Wang X., Xiang J., Latham J-P. Polyaxial stress-dependent permeability of a threedimensional fractured rock layer // Hydrogeology Journal. 2017, vol. 25, no. 8, pp. 2251—2262. DOI: 10.1007/s10040-017-1624-y.

17. Wang Z., Pan J., Hou Q., Niu Q. Changes in the anisotropic permeability of low-rank coal under varying effective stress in Fukang mining area, China // Fuel. 2018, vol. 234, no. 15, pp. 1481—1497. DOI: 10.1016/j.fuel.2018.08.013.

18. Zafar A., Su Y. L., Li L., Fu J., Mehmood A. Tight gas production model considering TPG as a function of pore pressure, permeability and water saturation // Petroleum Science. 2020, vol. 17, no. 1, pp. 1356—1369. DOI: 10.1007/s12182-020-00430-4.

19. Zhong X., Zhu Y., Liu L., Yang H., Li Y., Xie Y., Liu L. The characteristics and influencing factors of permeability stress sensitivity of tight sandstone reservoirs // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2020, vol. 191, article 107221. DOI: 10.1016/j.petrol.2020.107221.

20. Wang S. G., Elsworth D., Liu J. S. Permeability evolution during progressive deformation of intact coal and implications for instability in underground coal seams // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2013, vol. 58, pp. 34—45. DOI: 10.1016/j. ijrmms.2012.09.005.

21. Tao S., Tang D., Xu H., Li S. The influence of flow velocity on coal fines output and coal permeability in the Fukang Block, southern Junggar Basin, China // Scientific Reports. 2017, vol. 7, no. 1, article 14124, pp. 1—10. DOI: 10.1038/s41598-017-14295-y.

22. Lu Y. Y., Ge Z. L., Yang F., Xia B. W., Tang J. R. Progress on the hydraulic measures for grid slotting and fracking to enhance coal seam permeability // International Journal of Mining Science and Technology. 2017, vol. 27, no. 5, pp. 867—871. DOI: 10.1016/j.ijmst.2017.07.011.

23. Zhao Y., Lin B. Q., Liu T., Kong J., Zheng Y. N. Gas flow in hydraulic slotting-disturbed coal seam considering stress relief induced damage // Journal of Natural Gas Science & Engineering. 2020, vol. 75, article 103160. DOI: 10.1016/j.jngse.2020.103160.

24. Chen D. D., He W. R., Xie S. R., He F. L., Zhang Q., Qin B. B. Increased permeability and coal and gas outburst prevention using hydraulic flushing technology with cross-seam borehole // Journal of Natural Gas Science & Engineering. 2020, vol. 73, article 103067. DOI: 10.1016/j. jngse.2019.103067.

25. Ножкин Н. В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. — М.: Недра, 1979. — 271 с.

26. Крауч С., Старфилд А. Методы граничных элементов в механике твердого тела. — М.: Мир, 1987. — 328 с.