Оценка факторов, влияющих на изменение параметров проницаемости массива при подземной газификации угля

Выполнен анализ гидрогеомеханических закономерностей в системе водоносные породы – канал подземной газификации на основании синтеза двух видов численных моделей. Оценены результаты зональных изменений величин объемной деформации пород при ведении процесса подземной газификации угля. Даны рекомендаци...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автор:	Тишков, В.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України 2015
Назва видання:	Розробка родовищ
Теми:	Свердловинні технології
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104676
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Оценка факторов, влияющих на изменение параметров проницаемости массива при подземной газификации угля / В.В. Тишков // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2015. — Т. 9. — С. 507-514. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-104676
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1046762016-07-14T03:02:57Z Оценка факторов, влияющих на изменение параметров проницаемости массива при подземной газификации угля Тишков, В.В. Свердловинні технології Выполнен анализ гидрогеомеханических закономерностей в системе водоносные породы – канал подземной газификации на основании синтеза двух видов численных моделей. Оценены результаты зональных изменений величин объемной деформации пород при ведении процесса подземной газификации угля. Даны рекомендации по корректировке данных проницаемости массива при гидрогеологическом моделировании с целью определения водопритоков в подземный газогенератор. Виконано аналіз гідрогеомеханічних закономірностей в системі водоносні породи – канал підземної газифікації на основі синтезу двох видів чисельних моделей. Оцінено результати зональних змін величин об’ємних деформацій порід при веденні процессу підземної газифікації вугілля. Надано рекомендації щодо корегування даних проникності масиву при гідрогеологічному моделюванні з метою визначення водопритоків у підземний газогенератор. The analysis of patterns in the system of hydrogeomechanical rock aquifers – underground gasification channel based on the synthesis of two types of numerical models is carried out. The results of zonal change of volume deformation magnitudes while caring out underground coal gasification process are emphasize. The updating massif penetration recommendations while hydro-geological simulation for the purpose of water inflows in underground gas-generator are given. 2015 Article Оценка факторов, влияющих на изменение параметров проницаемости массива при подземной газификации угля / В.В. Тишков // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2015. — Т. 9. — С. 507-514. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 2415-3435 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104676 622.278:622.332 ru Розробка родовищ УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Свердловинні технології Свердловинні технології
spellingShingle	Свердловинні технології Свердловинні технології Тишков, В.В. Оценка факторов, влияющих на изменение параметров проницаемости массива при подземной газификации угля Розробка родовищ
description	Выполнен анализ гидрогеомеханических закономерностей в системе водоносные породы – канал подземной газификации на основании синтеза двух видов численных моделей. Оценены результаты зональных изменений величин объемной деформации пород при ведении процесса подземной газификации угля. Даны рекомендации по корректировке данных проницаемости массива при гидрогеологическом моделировании с целью определения водопритоков в подземный газогенератор.
format	Article
author	Тишков, В.В.
author_facet	Тишков, В.В.
author_sort	Тишков, В.В.
title	Оценка факторов, влияющих на изменение параметров проницаемости массива при подземной газификации угля
title_short	Оценка факторов, влияющих на изменение параметров проницаемости массива при подземной газификации угля
title_full	Оценка факторов, влияющих на изменение параметров проницаемости массива при подземной газификации угля
title_fullStr	Оценка факторов, влияющих на изменение параметров проницаемости массива при подземной газификации угля
title_full_unstemmed	Оценка факторов, влияющих на изменение параметров проницаемости массива при подземной газификации угля
title_sort	оценка факторов, влияющих на изменение параметров проницаемости массива при подземной газификации угля
publisher	УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Свердловинні технології
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104676
citation_txt	Оценка факторов, влияющих на изменение параметров проницаемости массива при подземной газификации угля / В.В. Тишков // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2015. — Т. 9. — С. 507-514. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series	Розробка родовищ
work_keys_str_mv	AT tiškovvv ocenkafaktorovvliâûŝihnaizmenenieparametrovpronicaemostimassivapripodzemnojgazifikaciiuglâ
first_indexed	2025-07-07T15:43:39Z
last_indexed	2025-07-07T15:43:39Z
_version_	1837003461950963712
fulltext	507 УДК 622.278:622.332 © В.В. Тишков В.В. Тишков ОЦЕНКА ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОНИЦАЕМОСТИ МАССИВА ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ Выполнен анализ гидрогеомеханических закономерностей в системе водоносные породы – канал подземной газификации на основании синтеза двух видов численных моделей. Оценены результаты зональных изменений величин объемной деформации пород при ведении процесса подземной газификации угля. Даны рекомендации по корректировке данных проницаемости массива при гидрогеологическом моделирова- нии с целью определения водопритоков в подземный газогенератор. ОЦІНКА ВПЛИВНИХ ФАКТОРІВ НА ЗМІНУ ПАРАМЕТРІВ ПРОНИКНОСТІ МАСИВУ ПРИ ПІДЗЕМНІЙ ГАЗИФІКАЦІЇ ВУГІЛЛЯ Виконано аналіз гідрогеомеханічних закономірностей в системі водоносні породи – канал підземної газифікації на основі синтезу двох видів чисельних моделей. Оцінено результати зональних змін величин об’ємних деформацій порід при веденні процессу підземної газифікації вугілля. Надано рекомендації щодо корегування даних проникно- сті масиву при гідрогеологічному моделюванні з метою визначення водопритоків у підземний газогенератор. ASSESSMENT OF FACTORS AFFECTING THE CHANGE IN PERMEABILITY PARAMETERS MASSIF AT UNDERGROUND COAL GASIFICATION The analysis of patterns in the system of hydrogeomechanical rock aquifers – underground gasification channel based on the synthesis of two types of numerical models is carried out. The results of zonal change of volume deformation magnitudes while caring out underground coal gasification process are emphasize. The updating massif penetration recommendations while hydro-geological simulation for the purpose of water inflows in underground gas-generator are given. ВВЕДЕНИЕ Процесс подземной газификации угля сопровождается формированием в массиве горных пород полостей выгазовывания и мульд сдвижения. Оценка факторов, влияющих на изменение параметров про- ницаемости массива, напрямую зависит от установления гидрогеомеханических зако- номерностей в системе водоносные поро- ды – канал подземной газификации. Решение возникающих задач в этом на- правлении связано с повышением эффек- тивности ведения процесса подземной га- зификации угля при одновременном сни- жении водопритоков и относится к управ- лению геофильтрационным состоянием горного массива [1]. Базовым инструмен- том для апробации таких разработок может 508 служить численное математическое моде- лирование гидрогеомеханических процес- сов, сопровождающих комплекс горных работ по подготовке и отработке угольных месторождений методом подземной гази- фикации. Рассмотрим методику синтеза двух ви- дов численных моделей для решения задач управления геофильтрационным состояни- ем горного массива: геомеханической мо- дели на основе метода конечных элементов (Phaze2) и геофильтрационной модели на основе метода конечных разностей (MIF). Типовую для Днепробасса структурно- гидрогеологическую схему формирования водопритоков в подземный газогенератор можно рассматривать в двух вариантах (наличие или отсутствие водоупора в кровле угольного пласта) и представить тремя основными зонами: 1 – водоносный комплекс надугольных отложений; 2 – на- личие или отсутствие пласта слабопрони- цаемых пород; 3 – выгазованное простран- ство, которое плавно сочленяется с обру- шенными горными породами, слагающими кровлю угольного пласта. Зона 1 является основным источником питания транзитно- го потока через зону 2 к зоне 3. Причем сопоставительный анализ скорости фор- мирования полости подземного газогене- ратора и уровенного режима в зоне 1 по- зволяет рассматривать нестационарную фильтрацию, ограничиваясь удаленным контуром постоянного напора в водонос- ном комплексе и зональным изменением параметров проницаемости массива в зо- нах 1 и 2. Нестационарность фильтрационного потока в направлении границ подземного газогенератора обусловлена перемещением контуров стока синхронно подвиганию ог- невого забоя и нестационарным простран- ственно неоднородным геомеханическим процессом водопроводящего разрыхления над каналом газификации, зависящим от скорости выгазовывания, мощности уголь- ного пласта, а также физико-механических свойств горных пород и их структуры. Отмеченные особенности гидрогеоме- ханических процессов выгазовывания угольного пласта предопределяют при- кладное значение их моделирования для установления численных параметров де- формаций и проницаемости, контроли- рующих данные процессы. Рассмотрим со- став, назначение и особенности идентифи- кации каждой из используемых численных моделей для описания геофильтрационно- го состояния горного массива в пределах влияния подземного газогенератора. Геомеханическая модель на основе ко- нечных элементов реализует деформиро- вание слоистого массива горных пород с разрыхлением на запредельной стадии на- гружения появлением разрывов на границе сочленения массива пород и канала гази- фикации (рис. 1). Дискретизируемая область захватывает описанные зоны 1 и 2. Основа алгоритма такой модели строится по рекомендациям работы [2]. Наиболее существенными от- личительными моментами алгоритма яв- ляются: использование метода начальных напряжений для расчета фактических на- пряжений в элементах, нагруженных через узловые точки приложенными силами; контроль перехода элементов модели в об- ласть запредельного деформирования (по- роды кровли над огневым забоем); соот- ветствующий предельным соотношениям вид дискретизации – сдвиг или расслоение, достигается модификацией матрицы коэф- фициентов системы аппроксимирующих уравнений; учет трения в плоскости кон- такта породных слоев, достигаемый добав- лением компонентов сил трения на участие сдвига к общему вектору сил; переход элементов в стадию пластического течения при одновременном превышении дефор- маций, описываемых запредельной ветвью деформирования, и достижении предель- ного соотношения по Кулону-Мору в виде касательной к кругу остаточной прочности горных пород. 509 Рис. 1. Геомеханическая модель на основе конечных элементов сочленяющая массив пород и каналы газификации Наиболее эффективным приемом для имитации пошагового формирования выга- зованного пространства и получения быст- росходящихся решений является вариация фактическими данными физико- механических и прочностных свойств по- род (стабиллометрические испытания [3]) с учетом влияния температурного поля, по двум основным вариантам выбранной структурно-гидрогеологической схемы. Результаты расчетов представляются в виде численного поля поэлементных отно- сительных объемных деформаций, кото- рые являются нормативной основой для внесения корректировки в выбор соответ- ствующих коэффициентов фильтрации. Наименьшее значение отрицательной объемной деформации, фиксируемое в зо- не с разрыхлением элементов численной модели, является базовой величиной для имитационного выбора начального коэф- фициента фильтрации и его расчета в ос- тальных элементах пропорционально ве- личинам деформаций [3]. Коррекция коэффициентов фильтрации реализуется на геофильтрационной чис- ленной модели, решаемой методом конеч- ных разностей (МКР). Очевидно, что наи- больший эффект, как в части необходимой точности решения, так и снижения его трудоемкости, может быть достигнут со- хранением масштабных коэффициентов разбивки дискретизируемой области. Геофильтрационная численная модель на базе МКР в этом случае аппроксимиру- ет уравнение нестационарной фильтрации в плоскостях x , y , z [4]: В потоке входных данных сведения о граничных условиях с постоянным напо- ром (естественное положение уровня грун- товых вод) и природными значениями во- допроводимости в пределах 1-й зоны за- даются на некотором удалении от площади влияния подземного газогенератора. По нижнему контуру зоны 1 и в зоне 2 задаются поля с различной проводимостью согласно геомеханическим нарушениям в массиве горных пород, полученным по ре- зультатам предыдущего моделирования. В реальных условиях суммарный водо- приток из отрабатываемого методом под- земной газификации участка поддается из- мерению косвенно, по количеству влаги, содержащейся в выходном продукте на га- зоотводящей скважине. Установить зако- номерность его планового распределения возможно построением численной гео- фильтрационной модели методом конеч- ных разностей. Элементы области модели- рования плановой фильтрации с использо- ванием МКР для рассматриваемого случая представлены двумя вложенными прямо- угольными контурами, представляющими водоносный комплекс и отрабатываемый 510 угольный пласт в определенных вариантах, разделенные разной по мощности водо- упорной толщей. Моделируемый фильтрационный про- цесс нестационарен наложением двух про- странственных составляющих: первая ха- рактеризует развитие депрессионной во- ронки от контуров стока (внутренняя гра- ница подземного газогенератора), совпа- дающая с контактом 1-й, 2-й и 3-й струк- турных зон; вторая характеризует посте- пенное приближение контура стока к внешней границе первого рода вследствие подвигания линии огневого забоя по мере выгазовывания отрабатываемого участка. Модель идентифицируется имитацион- ным выбором водопроводимости между упомянутыми прямоугольными контурами и сопоставлением рассчитываемого сум- марного объема водопритока со сходимо- стью балансовых составляющих. Описанный синтез численных моделей позволяет определять количественно из- менение водопритока в канал подземного газогенератора на основании учета факто- ров влияющих на изменение параметров проницаемости массива, и разрабатывать специальные технологические меры для управления его геофильтрационным со- стоянием. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В результате исследований напряжен- но-деформированного состояния породно- го массива над подземным газогенерато- ром установлена закономерность измене- ния зон объемных деформаций в зависи- мости от горно-геологических условий и стадий выгазовывания. На рис. 2 и 3 представлена динамика изменения объемной деформации над ка- налом центрального газогенератора для различных вариантов и стадий проведения процесса подземной газификации. В первом варианте представлены изме- нения объемных деформаций в песчаном массиве без учета воздействий темпера- турного поля (физико-механические и прочностные свойства пород в кровле га- зогенератора соответствуют их природно- му состоянию). Динамика последователь- ного ввода в эксплуатацию 2-го и 3-го га- зогенераторов не приводит к значитель- ным изменениям объемных деформаций в кровле 1-го. Своего максимума (около 6%) объемные деформации разрыхления дости- гают на двухметровом удалении от кровли канала газогенератора и затухают на рас- стоянии 12 – 13 м (рис. 2, а). Второй и третий варианты расчетов рассматривают различное геологическое строение пород, находящихся в непосред- ственной кровле угольного пласта с учетом изменения их свойств под влиянием тем- ператур при проведении подземной гази- фикации (рис. 2, б и 3). В случае залегания в кровле угольного пласта песчаных пород, преобразованных термополем, максимум объемных дефор- маций разрыхления будет находиться в ин- тервале 0 – 2 м и достигнет 6,5%. При на- личии в кровле угольного пласта глини- стых отложений динамика изменения объемных деформаций разрыхления со- всем иная (рис. 3). Максимум значений та- ких деформаций приходится на интервал 0 – 0,8 м и составляет 2,3 – 2,8%. Причем, деформации разрыхления меняются на де- формации сжатия еще в пределах участка воздействия на массив температурного по- ля (рис. 3). Величина изменения объемных дефор- маций в пределах всего газогенераторного поля рассматривалась вкрест формирования каналов газификации на различных стадиях их развития для трех вышерассмотренных вариантов горно-геологических условий в массиве. 511 а Расстояние, м Ве ли чи на о бъ ем но й де фо рм ац ии , д ол .е д. 2 1 3 б Расстояние, м Ве ли чи на о бъ ем но й де фо рм ац ии , д ол .е д. 2 1 3 Рис. 2. Величина изменения объемной деформации в массиве песчаных пород над каналом 1-го газогенератора без (а) и с учетом (б) воздействия температурного поля: 1 – максимальная площадь выгазовывания 1-го газоге- нератора; 2 – 1-го и 2-го газогенераторов; 3 – 1-го, 2-го и 3-го газогенераторов Расстояние, м Ве ли чи на о бъ ем но й де фо рм ац ии , д ол .е д. 2 1 3 Рис. 3. Величина изменения объемной деформации в массиве песчаных пород над каналом 1-го газогенератора при наличии глинистого прослоя с учетом воздействия температурного поля: 1 – максимальная площадь выгазовывания 1-го газогенератора; 2 – 1-го и 2-го газогенераторов; 3 – 1-го, 2-го и 3-го газогенераторов 512 Для вариантов залегания в кровле угольного пласта песчаных пород (рис. 4) отличие в формировании зон объемных деформаций характерно как пространст- венно, так и амплитудно. В первом вариан- те (рис. 4, а) зоны разрыхления формиру- ются по всей площади выгазовывания и значения объемных деформаций достига- ют от 1 – 4,5%. Во втором варианте (рис. 4, б) макси- мум деформаций разрыхления приходится на центральную часть первого отрабаты- ваемого газогенератора и на удаленные стороны 2-го и 3-го газогенераторов. Зна- чение таких деформаций достигает 6,5 – 8,5%, но площади их распространения до- вольно локальны. а В ел ич ин а об ъе мн ой д еф ор ма ци и, д ол .е д. 2 1 3 Расстояние, м б 3 21 Расстояние, м Ве ли чи на о бъ ем но й де фо рм ац ии , д ол .е д. Рис. 4. Величина изменения объемной деформации в массиве песчаных пород по простиранию газогенераторного поля, на расстоянии 2 м над каналом выгазовывания без учета (а) и с учетом (б) воздействия температурного поля: 1 – максимальная площадь выгазовывания 1-го газогенератора; 2 – 1-го и 2-го газогенераторов; 3 – 1-го, 2-го и 3-го газогенераторов 513 При наличии в кровле угольного пласта глинистых прослоев, подвергшихся воздей- ствию температурного поля, характер изме- нений полей объемных деформаций не- сколько иной (рис. 5). Значение деформа- ций разрыхления хоть и достигает своего максимума (около 20%), но носит весьма локальный характер, формируясь лишь в краевых зонах центрального газогенератора (первого по порядку отработки). Изменение значений объемной дефор- мации горных пород по мере развития ка- нала подземного газогенератора и включе- ния в работу его новых панелей, получен- ные по результатам геомеханического мо- делирования, позволяют с достаточной сте- пенью достоверности внести корректировку в фильтрационные параметры массива. 3 2 1 Расстояние, м Ве ли чи на о бъ ем но й де фо рм ац ии , д ол .е д. Рис. 5. Величина изменения объемной деформации в массиве песчаных пород по простиранию газогенераторного поля, на расстоянии 2-х метров над каналом выгазовывания, при наличии глинистого прослоя и с учетом воздействия температурного поля: 1 – максимальная площадь выгазовывания 1-го газогенератора; 2 – 1-го и 2-го газогенераторов; 3 – 1-го, 2-го и 3-го газогенераторов В пределах межгенераторных целиков (варианты залегания песчаных пород в не- посредственной кровле) формируются зо- ны дополнительного уплотнения (рис. 4), что в свою очередь будет уменьшать гид- равлическую взаимосвязь смежных газоге- нераторов после их отработки. В случае залегания в непосредственной кровле гли- нистых (водоупорных) пород изменение объемных деформаций в пределах смеж- ных газогенераторов практически отсутст- вует и гидравлическая связь между ними, в большинстве своем, будет определяться фильтрационными свойствами угольного пласта. ВЫВОДЫ Оценка факторов, влияющих на изме- нение параметров проницаемости массива возможна при реализации синтеза двух ви- дов численных моделей: геомеханической на основе метода конечных элементов (Phaze2) и геофильтрационной на основе метода конечных разностей (MIF). Две основные для Днепробасса струк- турно-гидрогеологические схемы измене- ния проницаемости массива при подзем- ной газификации угля рассмотрены на ос- нове анализа полей объемной деформации пород. 514 Рассмотренная ранее взаимосвязь объ- емных деформаций пород и их коэффици- ентов фильтрации [3] позволит с достаточ- ной степенью достоверности определять количественно величину водопритока на различных стадиях процесса подземной газификации. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Управление геофильтрационным состоянием горного массива при ведении горных работ / И.А. Садо- венко, В.И. Тимощук, А.А. Матвиенко // Комплексное и рациональное освоение железорудных месторожде- ний. – Губкин, 1990. – С. 29 – 31. 2. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геоме- ханике / А.Б. Фадеев. – М.: Недра, 1987. – 221 с. 3. Тішков В.В. Особливості формування техногенної проникності в кровлі вугільного шару при підземній га- зифікації вугілля / В.В.Тішков // Науковий вісник НГУ. – 2012. – № 1. – С. 35 – 39. 4. Ломакин Е.А. Численное моделирование гео- фильтрации / Ломакин Е.А., Мироненко В.А., Шестаков В.М. – М.: Недра, 1988. – 228 с. ОБ АВТОРАХ Тишков Владимир Владимирович – ассистент кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Нацио- нального горного университета.

Оценка факторов, влияющих на изменение параметров проницаемости массива при подземной газификации угля

Репозитарії

Схожі ресурси