УДК 622.411.33
Фрянов
В.Н., Васильев П.В., Фрянова О.В., Петрова О.А.
Оценка условий формирования
газогидратов метана в угольных пластах шахт
Выявлены следующие
потенциальные зоны формирования газовых гидратов в угольных пластах: в краевой
части угольного пласта под влиянием высоких сжимающих напряжений, в
подрабатываемых или надрабатываемых угольных пластах-спутниках под влиянием
знакопеременных главных напряжений, в зонах геологических нарушений разрывного
типа.
Fryanov V.N.,
Vasilev P.V., Fryanova O.V., Petrova O.A.
Assessment
of methane hydrate formation conditions in mine coal stratum
The
following potential zones of methane hydrate formation in mine coal stratums
are revealed: in a coal stratum selvage under the influence of high compressing
tensions, in under-worked and over-worked coal leader stratums under the
influence of alternating-sign major tensions, in zones of bursting-mode
geological breakings.
Ключевые слова: угольный пласт,
метан, газогидраты, метаноносность, напряжения, деформации, прочность пород,
линеаменты, горная выработка, математическая
модель, компьютерная программа.
Для повышения эффективности дегазации угольных пластов предлагается реализовать идею управляемого воздействия на угольный пласт посредством формирования и консервации в угольном пласте газогидратов, разложения соединений метана и воды на безопасных участках шахты или на земной поверхности с замещением метана углекислым газом и последующим использованием метана в качестве энергоносителя.
Условия
образования и существования газогидратов следующие [1]: давление 2 Па-1,7 ГПа,
температура 50-350 К. Один объём воды в
гидратном состоянии связывает от 70 до 350 объёмов газа. Внешне гидраты похожи
на спрессованный снег или молодой лёд. Плотность гидратов 900-1100 кг/м3, теплота образования около 420 кДж/кг, теплоёмкость (50-60)*103 Дж/моль-град. Проницаемость воды через гидраты
(1-500)*10-20 м2.
С целью установления закономерностей изменения температуры, давления и проницаемости флюидов, влияющих на процессы образования и разложения клатратных соединений, а также выявления участков угольных пластов вне и в зоне влияния выработанного пространства, в пределах которых возможно формирование газогидратов, проведено математическое моделирование распределения напряжений и деформаций в углепородном массиве.
Программа исследований включала моделирование методом конечных элементов и обсуждение результатов следующих вариантов численных экспериментов:
1) исследование распределения напряжённо-деформированного состояния (НДС) нетронутого неоднородного углепородного массива вне зон влияния геологических нарушений разрывного типа;
2) исследование распределения НДС нетронутого неоднородного углепородного массива в зоне влияния геологического нарушения разрывного типа;
3) исследование распределения НДС неоднородного углепородного массива вне зон геологических нарушений разрывного типа и с учётом влияния очистного выработанного пространства;
4) исследование распределения НДС неоднородного углепородного массива в зоне геологического нарушения разрывного типа и с учётом влияния очистного выработанного пространства.
С целью установления влияния отдельных факторов и параметров на НДС в каждом варианте рассмотрены частные случаи: расстояние зоны вероятного положения клатратов относительно краевой части пласта, прочности и модуля деформации угля; проницаемости угля, формы и размеров геологических нарушений разрывного типа и др.
В качестве исходной принята модель углепородного массива Антоновской брахисинклинали Байдаевского района Кузбасса. В свите пластов моделировалась отработка длинными комплексно-механизированными забоями (КМЗ) пласта 26а, который имеет мощность 1,95-2,1 м, угол падения 1-8o. Гипсометрия пласта пологоволнистая. Коэффициент крепости угля 0,8. Пласт осложнён разрывными геологическими нарушениями и зонами повышенной трещиноватости. Кровля пласта: ложная – мощностью 0,2-0,3 м представлена алевролитом мелким углистым, неустойчивая, предел прочности пород при сжатии 15 МПа; непосредственная – мощностью 1,0-4,7 м представлена алевролитом мелким, предел прочности при сжатии 43-59 МПа; основная – мощностью 3,8-7,8 м представлена песчаником, предел прочности при сжатии 90-100 МПа, мощностью 10,8-18 м. Максимальная глубина залегания пласта 650 м. Пласт угрожаемый по горным ударам с глубины 190 м, по внезапным выбросам угля, породы и газа с глубины 300 м. Уголь пласта склонен к самовозгоранию.
Моделирование осуществлялось с использованием авторского пакета компьютерных программ [2-5]. В пакете программ реализован алгоритм метода конечных элементов (МКЭ) на алгоритмическом языке FORTRAN в двумерной постановке геомеханической задачи. Графическая обработка и визуализация результатов моделирования проводилась с помощью стандартного пакета программ SURFER.
Возможность моделирования и изучения условий формирования клатратных соединений обеспечивается размерами конечных элементов от десятков метров до долей миллиметров, расположением в угольном пласте зон вероятного существования газогидратов на разных расстояниях от краевой части пласта, геологических нарушений и очистного забоя. С помощью МКЭ можно учитывать конфигурацию и размеры полостей в угольном пласте, влияние материала, заполняющего эти полости, а также деформационные характеристики угля, газогидратов. Неоднородность, слоистость углепородного массива, пустые и заполненные флюидами линеаменты задаются разными значениями модуля деформации и коэффициента Пуассона в соседних конечных элементах, сложные поверхности моделируются посредством деления исследуемой области на конечные элементы разных размеров и формы. Моделирование повышенного давления газа при разложении газогидратов можно осуществлять приложением сосредоточенной нагрузки к вершинам конечных элементов.
Геометрические размеры
модели приняты следующими (рисунок 1): глубина разработки 650 м, зона надработки в почве пласта
26а –130 м,
длина по простиранию пласта – 1000 м.
Рисунок 1 –
Схема дискретизации исследуемой геометрической модели углепородного массива на
конечные элементы
Граничные
условия следующие: на боках модели горизонтальные смещения U=0, на нижней границе – вертикальные
смещения V=0 и
горизонтальные смещения U=0,
толщина модели принята равной 1 м. Для обеспечения адекватности расчетной
модели реальному объекту (углепородный массив, включающий горную выработку и
горную крепь) проводилась настройка входных параметров модели по измеренным в
шахтных условиях смещениям в выработках-аналогах. Для учёта влияния линеаментов
в углепородном массиве в расчётную модель вводились искусственные поверхности
ослабления.
Схема дискретизации
углепородного массива на конечные элементы в пределах зоны влияния длинного
комплексно-механизированного забоя (КМЗ) и вероятного формирования и разложения
клатратных соединений показана на рисунке 2. Минимальные размеры конечных
элементов в этой зоне приняты следующие: длина стороны треугольника 0,0025 м,
площадь 0,0000031 м2. При моделировании возможно изменение размеров
и положения конечных элементов.
Рисунок 2 –
Схема дискретизации исследуемой геометрической модели углепородного массива на
конечные элементы в призабойной зоне КМЗ
Зоны влияния геологических нарушений разрывного типа, формирования блоков и линеаментов в углепородном массиве располагаются в близи зоны вероятного формирования газогидратов с целью изучения закономерностей образования и разложения газогидратов при взаимодействии природных и техногенных процессов.
Геологические нарушения разрывного типа задаются в модели в виде вертикальных, наклонных или горизонтальных полостей, заполненных обломочным материалом.
По результатам моделирования построены графики
распределения в пределах исследуемой модели следующих параметров НДС:
вертикальных и горизонтальных смещений; вертикальных, горизонтальных, главных и
касательных напряжений; вертикальных, горизонтальных сдвиговых деформаций;
остаточной прочности угля и пород.
Для определения зоны
повышенной трещиноватости введено понятие остаточной прочности угля и пород как
отношение
где τпасп
– касательные напряжения, принятые по паспорту прочности горных пород;
τМКЭ – кассательные напряжения, вычисленные методом конечных элементов (рисунок 3).
Рисунок 3 –
Изолинии распределения касательных напряжений (МПа) в краевой части угольного
пласта 26а, Кузбасс
На рисунке 4 в качестве
примера приведён фрагмент распределения остаточной прочности угля и пород в
окрестности очистного КМЗ.
Рисунок 4 –
Изолинии распределения остаточной прочности угля и пород в краевой части
угольного пласта 26а, Кузбасс
Одной из основных задач
математического моделирования процессов деформирования углепородного массива
под влиянием геологических нарушений и горных выработок является выявление
потенциальных зон формирования и разложения газогидратов. Основными признаками
этих зон являются: трещиноватые коллекторы, большие природные и техногенные
напряжения и деформации, неравномерность распределения главных напряжений и
деформаций, пространственное положение зон относительно горных выработок и
геологических нарушений.
На основе проведённых
теоретических исследований процессов миграции и перехода метана из гидратного в
клатратное и газообразное состояние и результатов математического моделирования
выявлены следующие закономерности пространственного расположения зон вероятного
формирования и разложения клатратных соединений:
·
В краевой части
угольного пласта. Это подтверждается высокими сжимающими вертикальными (превышают
в 4,8 раза напряжения в нетронутом массиве) и горизонтальными (превышают в 2,8
раза напряжения в нетронутом массиве) напряжениями при условиях. Учитывая, что
для подавления пыли в угольный пласт подаётся под большим давлением вода, то в
этих условиях возможно образование газогидратных соединений. Если максимальные
напряжения превышают предел прочности угля, то происходит разрушение угля и
образование дополнительных трещин или раскрытие существующих (см. рисунок 4). В
этих условиях вследствие снижения давления возможен переход газогидратов в
газообразное состояние и выделение метана в горные выработки по трещинам или в
отжатом угле и горной массе.
·
В подрабатываемых или
надрабатываемых угольных пластах-спутниках. Это подтверждается влиянием
растягивающих горизонтальных напряжений и деформаций при высоких вертикальных
напряжениях и деформаций. По результатам моделирования выявлено, что в породах
кровли пласта происходит смена знаков горизонтальных смещений, то есть вектор
смещений пород непосредственной кровли и подрабатываемых пластов направлен от
выработанного пространства в сторону краевой части пласта, а выше, наоборот, от
краевой части угольного пласта в сторону выработанного пространства. Указанная
закономерность ранее была установлена экспериментально на моделях из
эквивалентных материалов. Соответственно в подработанном или надработанном
угольном пласта и особенно на контактах с боковыми породами возможно
образование каналов миграции флюидов, деформации структурной схемы угля и
изменения состояния клатратного соединения.
·
В зонах геологических
нарушений разрывного типа. Наличие зоны вероятного формирования или разложения
газогидратов подтверждается сравнением формы и изолиний распределения
относительных горизонтальных и вертикальных деформаций без учёта влияния
дизъюнктива и в зоне влияния дизъюнктива. На участке пласта между дизъюнктивом
и краевой частью пласта резко увеличиваются горизонтальные растягивающие и
вертикальные сжимающие деформации. Это должно привести к изменению формы
природных линеаментов и блоков в угольном пласте и, соответственно, условий
формирования или разложения клатратных соединений.
Список литературы
1. Манаков А.Ю. Использование клатратных соединений для хранения водорода [Текст] / А.Ю. Манаков, С.С. Скиба // Российский химический журнал. - 2006. - Т. 50. - №6. - С 73-82.
2. Программа подготовки данных для проведения расчётов геомеханических параметров угольных шахт методом конечных элементов / В.Н. Фрянов, Ю.А. Степанов // Свидетельство об официальной регистрации программы на ЭВМ №2000610937; Заявка №2000610798 от 24.06.2000. Зарегистр. 21.09.2000. – М.: Роспатент, 2000.
3. Программа расчёта геомеханических параметров для исследования взаимодействия секции механизированной крепи с углепородным массивом / А.В. Степанов, В.Н. Фрянов, Ю.А. Степанов // Свидетельство об официальной регистрации программы на ЭВМ №2001610645; Заявка №2001610402 от 02.04.2001. Зарегистр. 31.05.2001. – М.: Роспатент, 2001.
4. Никитина А.М. Геомеханическое обеспечение устойчивости горных выработок в неоднородном углепородном массиве [Текст] / А.М. Никитина, В.Н. Фрянов. Новокузнецк: СибГИУ, 2009. – 199с.
5. Златицкая Ю.А. Геомеханическое обоснование параметров опасных зон и технологии упрочнения пород в окрестности подземных горных выработок [Текст] / Ю.А. Златицкая, В.Н. Фрянов. Новокузнецк: СибГИУ, 2006. – 160с.
Коротко об авторах
Фрянов Виктор Николаевич – д.т.н., проф., зав. кафедрой разработки пластовых
месторождений ФБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»
Васильев Павел Валентинович – руководитель экспертной организации ОАО
«Сибнииуглеобогащение»
Фрянова Ольга Викторовна – аспирант кафедры разработки пластовых месторождений ФБОУ
ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»
Петрова Ольга
Александровна – аспирант кафедры разработки пластовых месторождений ФБОУ
ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»