Механизм фильтрационных процессов в горном массиве при наложении гидравлических ударов на столб нагнетаемой в пласт жидкости

В работе обоснован механизм фильтрационных процессов в горном массиве, происходящих при наложении гидравлических ударов на поток нагнетаемой в угольный пласт жидкости. Данный механизм может быть использован для повышения эффективности нагнетания жидкости в пласт в режиме его гидравлического рыхления...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Минеев, С.П., Потапенко, А.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2014
Назва видання:	Геотехнічна механіка
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/109485
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:	Механизм фильтрационных процессов в горном массиве при наложении гидравлических ударов на столб нагнетаемой в пласт жидкости / С.П. Минеев, А.А. Потапенко // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 114. — С. 100-112. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-109485
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1094852016-12-01T03:02:17Z Механизм фильтрационных процессов в горном массиве при наложении гидравлических ударов на столб нагнетаемой в пласт жидкости Минеев, С.П. Потапенко, А.А. В работе обоснован механизм фильтрационных процессов в горном массиве, происходящих при наложении гидравлических ударов на поток нагнетаемой в угольный пласт жидкости. Данный механизм может быть использован для повышения эффективности нагнетания жидкости в пласт в режиме его гидравлического рыхления. Модель данного механизма позволяет оценить условия рыхления призабойной части пласта и параметры эффективного увлажнения угольного массива при выполнении противовыбросного мероприятия. Приведена зависимость изменения пористости по мере цикличного нагружения массива за счет накопления повреждений в угле. Показано, что пористость и проницаемость угольного массива монотонно возрастают до определенной величины при увеличении числа циклов ударного нагружения, при этом средний суммарный переток нагнетаемой в пласт жидкости возрастает с ростом числа циклов ударного нагружения. В роботі обгрунтований механізм процесів фільтрацій в гірському масиві, що відбуваються під час накладення гідравлічних ударів на потік рідини, що нагнітається у вугільний пласт. Даний механізм може бути використаний для підвищення ефективності нагнітання рідини в пласт в режимі його гідравлічного спушення. Модель даного механізму дозволяє оцінити умови спушення прівибійної частини пласта і параметри ефективного зволоження вугільного масиву при виконанні протівовикидного заходу. Приведена залежність зміни пористості у міру циклічного навантаження масиву за рахунок накопичення пошкоджень в кутку. Показано, що пористість і проникність вугільного масиву монотонно зростають до певної величини при збільшенні числа циклів ударного навантаження, при цьому середнє сумарне перетікання рідини, що нагнітається в пласт, зростає із зростанням числа циклів ударного навантаження. Mechanism of filtration processes in the rocks occurred at applying hydraulic shock on the stream of liquid injected into the coal layer is explained in this work. This mechanism can be used for improving liquid injection into the layer when the layer is in the process of hydraulic loosening. A model of this mechanism allows to determine conditions for loosening a face area of the layer and parameters for effective watering of the coal mass at implementation of measures against outburst. Dependence of porosity changes in the process of cyclic loading of the coal mass due to accumulated coal disturbances is presented. It is shown that coal porosity and permeability increase monotonically up to a certain size at increasing number of cycles of the shock loading, and average total flow of liquid injected into the coal mass increases with grown number of cycles of the shock loading. 2014 Article Механизм фильтрационных процессов в горном массиве при наложении гидравлических ударов на столб нагнетаемой в пласт жидкости / С.П. Минеев, А.А. Потапенко // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 114. — С. 100-112. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/109485 622.234.5:32:532.595.2 ru Геотехнічна механіка Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	В работе обоснован механизм фильтрационных процессов в горном массиве, происходящих при наложении гидравлических ударов на поток нагнетаемой в угольный пласт жидкости. Данный механизм может быть использован для повышения эффективности нагнетания жидкости в пласт в режиме его гидравлического рыхления. Модель данного механизма позволяет оценить условия рыхления призабойной части пласта и параметры эффективного увлажнения угольного массива при выполнении противовыбросного мероприятия. Приведена зависимость изменения пористости по мере цикличного нагружения массива за счет накопления повреждений в угле. Показано, что пористость и проницаемость угольного массива монотонно возрастают до определенной величины при увеличении числа циклов ударного нагружения, при этом средний суммарный переток нагнетаемой в пласт жидкости возрастает с ростом числа циклов ударного нагружения.
format	Article
author	Минеев, С.П. Потапенко, А.А.
spellingShingle	Минеев, С.П. Потапенко, А.А. Механизм фильтрационных процессов в горном массиве при наложении гидравлических ударов на столб нагнетаемой в пласт жидкости Геотехнічна механіка
author_facet	Минеев, С.П. Потапенко, А.А.
author_sort	Минеев, С.П.
title	Механизм фильтрационных процессов в горном массиве при наложении гидравлических ударов на столб нагнетаемой в пласт жидкости
title_short	Механизм фильтрационных процессов в горном массиве при наложении гидравлических ударов на столб нагнетаемой в пласт жидкости
title_full	Механизм фильтрационных процессов в горном массиве при наложении гидравлических ударов на столб нагнетаемой в пласт жидкости
title_fullStr	Механизм фильтрационных процессов в горном массиве при наложении гидравлических ударов на столб нагнетаемой в пласт жидкости
title_full_unstemmed	Механизм фильтрационных процессов в горном массиве при наложении гидравлических ударов на столб нагнетаемой в пласт жидкости
title_sort	механизм фильтрационных процессов в горном массиве при наложении гидравлических ударов на столб нагнетаемой в пласт жидкости
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate	2014
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/109485
citation_txt	Механизм фильтрационных процессов в горном массиве при наложении гидравлических ударов на столб нагнетаемой в пласт жидкости / С.П. Минеев, А.А. Потапенко // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 114. — С. 100-112. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Геотехнічна механіка
work_keys_str_mv	AT mineevsp mehanizmfilʹtracionnyhprocessovvgornommassiveprinaloženiigidravličeskihudarovnastolbnagnetaemojvplastžidkosti AT potapenkoaa mehanizmfilʹtracionnyhprocessovvgornommassiveprinaloženiigidravličeskihudarovnastolbnagnetaemojvplastžidkosti
first_indexed	2025-07-07T23:10:19Z
last_indexed	2025-07-07T23:10:19Z
_version_	1837031563486822400
fulltext	ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114 100 УДК 622.234.5:32:532.595.2 С.П. Минеев, д-р техн. наук., профессор (ИГТМ НАН Украины), А.А. Потапенко, инженер ("Донецкая угольная энергетическая компания") МЕХАНИЗМ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ГОРНОМ МАССИВЕ ПРИ НАЛОЖЕНИИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УДАРОВ НА СТОЛБ НАГНЕТАЕМОЙ В ПЛАСТ ЖИДКОСТИ С.П. Мінєєв, д-р техн. наук, професор (ІГТМ НАН України), О.О. Потапенко, інженер («Донецька вугільна енергетична компанія») МЕХАНІЗМ ФІЛЬТРАЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ У ГІРНИЧОМУ МАСИВІ ПІД ЧАС НАКЛАДЕННЯ ГІДРАВЛІЧНИХ УДАРІВ НА СТОВП РІДИНИ, ЯКА НАГНІТАЄТЬСЯ У ПЛАСТ S.P. Mineev, D.Sc. (Tech.), Professor (IGTM NAS of Urraine), A.A. Potapenko, M.S. (Tech.) ("Donetsk Coal Energy Company") MECHANISM OF FILTRATION PROCESSES IN THE ROCKS AT APPLYING HYDRAULIC SHOCK ON THE COLUMN OF LIQUID INJECTED INTO THE STRATUM Аннотация. В работе обоснован механизм фильтрационных процессов в горном масси- ве, происходящих при наложении гидравлических ударов на поток нагнетаемой в угольный пласт жидкости. Данный механизм может быть использован для повышения эффективности нагнетания жидкости в пласт в режиме его гидравлического рыхления. Модель данного ме- ханизма позволяет оценить условия рыхления призабойной части пласта и параметры эффек- тивного увлажнения угольного массива при выполнении противовыбросного мероприятия. Приведена зависимость изменения пористости по мере цикличного нагружения массива за счет накопления повреждений в угле. Показано, что пористость и проницаемость угольного массива монотонно возрастают до определенной величины при увеличении числа циклов ударного нагружения, при этом средний суммарный переток нагнетаемой в пласт жидкости возрастает с ростом числа циклов ударного нагружения. Ключевые слова: увлажнение массива, противовыбросное мероприятие, гидроудар, фильтрационный процесс. При снижении выбросоопасности угольных пластов на шахтах используют различные методы, основанные на нагнетании жидкости в массиве, такие как: ________________________________________________________________ © С.П. Минеев, А.А. Потапенко, 2014 ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114 101 гидроотжим, гидрорыхление, нагнетание жидкости в длинные скважины и дру- гие. Вместе с этим даже после нагнетания жидкости в режиме гидрорыхления опасность реализации газодинамического явления полностью не исключается. Одной из основных причин недостаточной надежности этих способов является неравномерность обработки пласта жидкостью и неуправляемость процессом выполнения способа при низкопроницаемых углях [1]. Поэтому обоснование механизма фильтрационных процессов в горном массиве при наложении гид- равлических ударов на столб нагнетаемой в пласт жидкости является актуаль- ным вопросом. Одним из возможных методов, позволяющих снизить отмеченные недос- татки, является наложение на столб нагнетаемой в пласт жидкости циклических колебаний. В общем случае вопросы нагнетания жидкости в массив в пульса- ционном режиме рассматривали неоднократно [2 - 6]. Так, в работе [7] предло- жен способ, включающий бурение скважин в массиве, их герметизацию и уста- новку в устье скважин генераторов колебаний давления. Нагнетание жидкости в пласт производят с одновременным созданием колебаний давлений в столбе нагнетаемой жидкости. При этом амплитуда колебаний давления жидкости не должна превышать горного давления, а частота колебаний находится в преде- лах 20—1000 Гц. Однако данный способ в полном объеме не может быть осу- ществимым с необходимой технологической эффективностью. Поэтому вполне очевидна дальнейшая необходимость выполнения исследований, направленных на повышение производительности работ и надежности применения гидроспо- собов. Одним из перспективных предложений в этом вопросе является метод наложения гидравлических ударов на столб нагнетаемой в пласт жидкости [4]. При выполнении этого способа весьма важны вопросы герметизации нагнета- тельных скважин и выбор средств создания гидроударов в столбе жидкости. В качестве таких средств можно использовать разработанные в ИГТМ НАН Ук- раины прерыватели потока нагнетаемой жидкости, которые необходимо уста- навливать между насосом и герметизируемой частью скважины. При этом гид- равлические ударные волны в столбе нагнетаемой в пласт жидкости создают мгновенным закрытием специальной задвижки, а затем ее открытием. Рассмот- рим механизм этого процесса. Известно [4, 9], что резкое изменение скорости течения напорного потока вызывает практически мгновенное повышение (сни- жение) давления. Это явление называется гидравлическим ударом и представ- ляет собой процесс, характеризующийся резким повышением и понижением давления в потоке жидкости. При рассмотрении механизма действия такого гидравлического удара на горный массив следует отметить, что как только «лоб» волны дойдет до забоя скважины, в этом месте образуется и начинает двигаться в противоположную сторону отраженная волна, затем этот процесс повторяется. Таким образом, у свободного конца скважины (у забоя) зарожда- ются отраженные волны обратного знака, а у закрытого (у задвижки) — отра- женные волны того же знака, что и прямые волны, подошедшие к концу сква- жины. Время прохождения ударной волны от задвижки до забоя запишем в ви- де ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114 102 ,/)(0 удTC LLt α+= (1) где CL и CL — соответственно длина трубопровода от задвижки и длина сква- жины; удα — скорость движения ударной волны в скважине (скорость звука). Полный период колебания в любой точке скважины будет равен четырех- кратному времени пробега «лбом» ударной волны расстояния )( TC LL + : ),(2/)(4 0tLLt удTCпол =+= α (2) где 02 t⋅ — фаза гидравлического удара. Для наибольшей эффективности использования энергии гидроударной об- работки угольного массива частоту открытия — закрытия задвижки на трубо- проводе, подающем жидкость в массив от насосной установки следует прини- мать кратной времени пробега "лбом" ударной волны расстояния до забоя скважины и обратно, т. е. кратной фазе гидравлического удара: ],[2/1 0 nt=′ω (3) где [n] — показатель кратности. Кроме этого, необходимо отметить, что для повышения эффективности гидрообработки угольного массива с использованием энергии волн гидравличе- ского удара следует [4, 8] избегать изгибов в направлении движения жидкости и существенных изменений в сечении ее потока, поскольку последние являются своебразными демпферами, гасящими энергию гидроударных волн. Поэтому скважины для нагнетания жидкости сооружают так, чтобы их диаметр макси- мально приближался к внутреннему диаметру подающего жидкость трубопро- вода, и располагают скважины и трубопровод по возможности на одной прямой линии. Довольно важным существенно влияющим на эффективность гидрообра- ботки параметром является длительность полного перекрытия (открытия) пото- ка жидкости задвижкой закt . Прямой гидравлический удар будет осуществляться при условии 02ttзак ≤ . В противном случае ( 02ttзак > ) возникает непрямой гидрав- лический удар, при котором ударная волна, отразившись от забоя, возвращается к задвижке раньше, чем эта задвижка будет полностью закрыта. При этом ам- плитуда волн гидроудара значительно меньше, чем при прямом ударе, за счет дифракции волн. Амплитуда волны прямого гидравлического удара: ,уджж п уд αυρσ = (4) где жρ — плотность нагнетаемой жидкости, жυ — скорость нагнетания жидко- сти в статическом режиме. При непрямом гидравлическом ударе, когда задвижка обеспечивает линей- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114 103 ную зависимость скорости течения жидкости в трубопроводе от времени ее за- крытия, амплитуда ударной волны будет выражаться соотношением: ,)(2 зак ТС жж н уд t LL + = υρσ (5) где закt — время срабатывания задвижки. Данная модель рассматриваемого процесса позволяет в общем случае оце- нить интенсивность динамических воздействий на стенки и забой скважины. При этом открытые в полости скважины магистральные трещины являются своеобразным «направляющим» для гидроударных волн, по которым происхо- дит передача импульсного возмущения давления жидкости в глубь массива. В случае импульсных (гидроударных) изменений давления жидкости в неодно- родно-трещиновато пористом массиве действие капиллярных сил увеличивает- ся наличием гидродинамических сил, обусловленных упругим режимом воз- действия, поскольку внедренная при резком повышении давления жидкость распределяется и удерживается в капиллярах (трещинах угольного массива). В свою очередь, пульсационное изменение скоростей фильтрации жидкости в це- лом обуславливает изменение фазовых проницаемостей пласта, т.е. каждый цикл гидроударного воздействия на забой скважины повышает водонасыщение угольного массива вблизи полости скважины. При практическом применении данного способа необходимо иметь в виду, что асимметрия цикла гидроударного нагружения угольного массива Ra должна быть положительной. В противном случае абсолютное давление у задвижки па- дает до нуля, а «жидкая колонна» в трубопроводе отрывается от задвижки, воз- никает относительное разряжение, образуется паровая каверна и кавитация. Это, в свою очередь, нарушает периодичность процесса, и характер изменения давления становится самозатухающим [4]. Следовательно, при нагнетании жидкости необходимо выдерживать усло- вия: ,0> + − = удст удст aR σσ σσ (6) где стσ — статическое давление нагнетания жидкости в пласт. Следует отме- тить, что соотношение (6) будет выполняться в случае, когда удст σσ > . В реальных условиях в процессе торможения потока жидкости в забое скважины или у задвижки неизбежны гидравлические потери. Часть энергии гидравлического удара за счет работы вязких сил перейдет в тепло, что, в свою очередь, вызовет изменение амплитуды гидроударной волны. Необходимый учет прироста амплитуды гидроударной волны за счет изменения температуры жидкости можно произвести с помощью формулы, которая получена в работах [4] ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114 104 , 1 2 p жpуд уджж уд C Td ρα αυρ σ − =′ (7) где pd — коэффициент термического расширения жидкости; pC — удельная изобарная теплоемкость; T -температура; удα — скорость движения гидроудар- ной волны (скорость звука). В процессе гидроударного воздействия на уголь интенсифицируется тре- щинообразование вокруг нагнетательной скважины. Механизм трещинообразо- вания при волновом нагружении угля достаточно подробно рассмотрен ранее [2, 4, 8]. Трещинообразование приводит к увеличению пористости угля, которая взаимосвязана с фильтрационными возможностями исследуемого горного мас- сива, что, в конечном счете, позволяет существенно интенсифицировать сам процесс увлажнения пласта. Одним из методов количественной оценки воз- можного изменения пористости угля по мере циклического воздействия на мас- сив является использование принципа накопления повреждений в материале. Процесс накопления повреждений в массиве будет взаимосвязан с изменением пористости угля. При расчетах следует учитывать, что функция поврежденно- сти нетронутого горного массива в принципе не может быть равной нулю, а должна соответствовать некоторой величине, равной природной поврежденно- сти 0W . В свою очередь, величине 0W должны соответствовать начальные зна- чения всех механических характеристик угля, а значение 1=W характеризуется уже достижением горным массивом предельного состояния. Для обоснования повышения эффективности процесса нагнетания жидко- сти в пласт за счет использования гидропульсационных эффектов рассмотрим следующую задачу. В ней развита математическая модель фильтрационных процессов, изложенных в работах [4, 5], с учетом процесса накопления повреж- дений в массиве по мере ее циклического нагружения, связи свойств массива с пористостью и проницаемостью пласта. Рассмотрим такую задачу в следующей постановке. Поскольку вмещающие породы являются в значительной степени менее проницаемыми для нагнетания жидкости, чем уголь, то в дальнейшем будем считать пласт условно двухслой- ным: нижний слой — угольный массив с присущими ему свойствами, и верх- ний — породно-угольный слой, вмещающий угольный массив. За критерий ус- ловно эффективного увлажнения массива вполне можно, например, принять увеличение перехода (перетока) нагнетаемой жидкости из нижнего обрабаты- ваемого слоя в верхний не менее чем на 10 % (или другое значение). Для решения поставленной задачи рассмотрим процесс фильтрации жидко- сти в угольном пласте, состоящем, как уже отмечалось, из двух слоев мощно- стью 1h , 2h и с различной проницаемостью 01k и 02k . Проницаемости слоев, как функции от давления, описываются зависимостями [5]: ...,,2,1),1()( 0 =+= iPkPk iii β (8) ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114 105 где 01k — проницаемость, соответствующая естественным условиям залегания горной породы; iβ — коэффициент, учитывающий изменение проницаемости слоя породы при изменении параметров нагружения массива (давления и числа циклов нагружения). Процесс фильтрации в угольном пласте, проницаемость которого характе- ризуется зависимостью (8), является нелинейным и описывается в одномерном случае уравнением: .)1( 2 0 ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ x PP x k x V i ii β μ Пусть двухслойный пласт подвержен периодическому импульсному воз- действию жидкости со стороны очистной выработки, а противоположный ко- нец его свободен от этого давления. Суммарная мощность угольного пласта и вмещающего слоя пород значительно меньше его протяженности, т. е. 1/ ≤nLh , где 21 hhh += . Выполнение этого условия означает, что процесс фильтрации может быть рассмотрен как одномерный. При движении жидкости по двухслойному пласту с различной проницаемостью слоев происходит перетекание жидкости из одно- го слоя в другой. Уравнение неразрывности имеет вид [10]. ...,,2,1,)1(2 =−+ ∂ ∂ = ∂ ∂ iq t PZÏh x Vh i ii i i (9) где iП — пористость слоев; 2Z — коэффициент сжимаемости; q — количество жидкости, перетекающей из слоя в слой. Относительно давления жидкости в слоях делается предположение, что вы- равнивание давления 1P и 2P происходит практически мгновенно и PPP == 21 . Запишем уравнения (9) с учетом (7): .)1( ;)1( 2 2 202 222 1 2 101 211 ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ =− ∂ ∂ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ =− ∂ ∂ x PP x hkq t PZПh x PP x hkq t PZПh β μ β μ (10) Просуммировав (10), получаем уравнение, описывающее процесс нелиней- ной фильтрации в двухслойном пласте, ,)1( * 2 2 ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ x PP x k t PZh П П β μ (11) где 2211 ПhПhhП += ; 202101 hkhkk П += ; Пk hkhk 22021101 * βββ + = . Граничное условие имеет вид: ttP д ωσ sin)( = при 0=x ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114 106 0)( =tP при Lx = . (12) Перейдем к безразмерным величинам. Введем обозначения PP дσ= ; Lxx /= . Тогда: ,)1()1( 2 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ =⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ x PP xLx PP x д βσβ где дσββ ** = , Введем параметр времени )/(: tttt ′′=′′ . Из уравнения (11) следует, что: .)1(11 2 22 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ ′′ x PP xLhZ k t p t П П β μ Тогда ПП kLhZt /2 22μ=′′ Окончательно уравнение (11) в безразмерных величинах имеет вид: ,)1( ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ += ∂ ∂ = ∂ ∂ x PP xt P β (13) где ;/ дPP σ= ;/ Lxx = ./ 2 22 LhZtkt ПП μ= Граничное условие (12) в безразмерных величинах имеет вид: ttP ωsin)( = при 0=x ; 0)( =tP при 1=x . (14) где . 2 22 П П k LhZt μωωω =′′= Решение уравнения (13) для однородного слоя [4] с использованием разло- жения искомой функции в ряд Фурье ищется в виде: ∑ ∝ = −+= 0 sincos),( k kk tkPtkPtxP ωω , (15) где kP± - функции безразмерной координаты x . Подставляя общее решение в виде (15) в уравнение (13) и граничные усло- вия (14) и приравнивая коэффициенты при синусах и косинусах, получаем бес- конечную систему нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка и граничные условия для функции kP± : ; 2 1 2 1 1 1 1 )()()(02 2 2 2 ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ −++++ ∂ ∂ −= ∂ ∂ ∑ ∑ − = ∝ = ++−+−± ± n j k nkknkkjnjnn n PPPPPPP x Pn x P mmmm βω (16) при )1(0;1;00 11 ≠=−=== ±−+ kPPPx k при ).... 1, ,0(01 === ± kPx k (17) Пусть .0=n Тогда из (1.16) с учетом (1.17) получаем: http://fi.il/� ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114 107 .12 4 1 222 0 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −+++−= ∑ ∝ = −+ k kkд xPPP σβ В случаях, когда коэффициент нелинейности β мал, т. е. зависимость про- ницаемости от давления слабо нелинейная, для отыскания функций kPm может быть использован метод малого параметра. Решение системы (16) в виде ряда по степеням малого параметра 1 ( 0, 1, 2, ...)П k k n P P kβ ∝ = = =∑∓ ∓ позволяет полу- чить из (16) системы рекуррентных соотношений для определения функций kPm при степенях β . Первую гармонику 1 1cos sinP P t P tω ω+ −= + приближенно определяет реше- ние линейной однородной системы, соответствующей (16), [ ] [ ] 1 1 1 1 (1 )sin (1 ) cos (1 )cos (1 ) sin ; (1 )cos (1 ) cos (1 )sin (1 ) sin ; P ch x x sh sh x x ch P ch x x sh sh x x ch δ ξ ξ ξ ξ ξ ξ ξ ξ δ ξ ξ ξ ξ ξ ξ ξ ξ − + − − = − − − − − = − − + − − где ;2/ωξ = 2 2coschδ ξ ξ= − . Решение (16) с учетом величин порядка β имеет вид: ).2sin2cos(sincos 211 ttPtPtPP д ωωβωωβσ ++++= +−+ (18) Вид функции kPm не приведен из-за их громоздкости. Выполненные ранее расчеты давления ),( ωxP = в области малых и боль- ших частот возбуждения [4, 5] показывают, что для малых частот )1( ≤ω реше- ние практически не отличается от квазистационарного. В области больших час- тот распределение давления по координате резко нелинейное. Полученный ре- зультат очень важен при исследовании межслойного перетока жидкости при нагнетании ее в угольный пласт в вибрационных режимах. Получим расчетную формулу для локального среднего по времени меж- слойного перетока жидкости в предположении, что выравнивание давления в обоих слоях происходит мгновенно, т. е. PPP == 21 . Проинтегрировав по циклу (8) с учетом (18), получаем: , 2cos2 )1(2cos)1(2)(2),( 1221 ξξ ξξββωω − −+− −= ch xxchkxq (19) где ;11 дσββ = ;22 дσββ = 01 1 02 2 12 2 n k h k hk k = . Проинтегрировав (19) по длине пласта, получим формулу для расчета сум- марного среднего по времени перетока жидкости из одного слоя в другой . 2cos2 2sin2)(2 1221 ξξ ξξββξ − + −= ch chkq (20) ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114 108 Формулы (19) и (20) получены в предположении, что вибрационное воздейст- вие па угольный пласт не изменяет в рассматриваемый период времени физиче- ские характеристики угольного пласта, в частности, пористость. Однако, как показывают исследования [4, 9], вибрационное нагружение угольного пласта приводит к увеличению его пористости, а следовательно, характер перетока жидкости будет в этом случае отличаться от зависимостей (19), (20). Для исследования влияния гидропульсационного воздействия на изменение суммарного среднего по времени перетока жидкости из одного пласта в другой воспользуемся экспериментальными данными, где приведены зависимости проницаемости от коэффициента пористости и структуры порового простран- ства (удельной поверхности и извилистости поровых каналов породы), а также данными по исследованию накоплений усталостных повреждений угля [11]. В дальнейшем будем предполагать, что при гидропульсационном воздейст- вии изменением удельной поверхности и извилистости поровых каналов угля можно пренебречь по сравнению с изменением пористости. Тогда функцио- нальное соотношение для коэффициента проницаемости - при вибрационном воздействии будет иметь вид: ( ) [ ( ), , / ],к рk F П S L Lω ω ′= (21) где F — некоторая функция; S ′ — удельная поверхность каналов фильтрации; кL — среднеквадратическая длина каналов; рL — кратчайшее расстояние меж- ду началом и концом канала. Аппроксимируя экспериментальную зависимость между коэффициентом проницаемости и пористостью [12] логарифмической функцией, получаем: lg 25 4k П= − (22) Зависимость между коэффициентом проницаемости, пористостью и струк- турой порового пространства имеет вид: 12/( ),k fП S T ′′= − (23) При вибрационном воздействии, как следует из (21), 12 [ ( )]( ) ,f Пk S T ωω = ′′ (24) Тогда, вследствие постоянства структуры порового пространства 12(S и )T ′′ , получаем формулу для определения коэффициента проницаемости при гидро- пульсационном воздействии: . )( )]([)( Пf Пkfk ωω = (25) В формуле (25) неизвестна пока функциональная зависимость изменения пористости от частоты и длительности пульсационного воздействия па уголь- ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114 109 ный (горный) массив. Согласно зависимостям, полученным в [4, 11], текущие значения пористости угля по мере цикличного нагружения массива и, соответ- ственно, накопления повреждений имеют вид: , )21(21 )21(2 00 vcW vcWППППt −′− −′ +=Δ+= (26) где 0П — начальная (природная) пористость угля; c′ и α′ — постоянная мало- цикловой усталости; W — функция накопления повреждений в угле. Согласно [4] . 2 1 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ′ = ασ N cE W н (27) В случае выполнения оценки влияния воздействия гидроударных волн на угольный пласт в объемной постановке величину нσ принимают равной эσ ( эσ — эквивалентные напряжения, вычисленные через компоненты напряжения). Приведенные выше исследования позволили получить функциональные за- висимости для анализа фильтрационного процесса в угольном массиве при гид- ропульсационном воздействии с учетом возможного изменения проницаемости. Разработанный алгоритм и блок-схема программы позволяют анализировать различные технологические режимы гидропульсационного воздействия при различных физико-механических характеристиках угольного пласта и вме- щающих пород в диалоговом режиме. Исходными данными для реализации расчетной программы являются дσ — амплитуда вынужденных колебаний давления; N — число циклов нагружения; 0201, kk — проницаемости слоев, соответствующие естественным условиям зале- гания пласта; 21, ββ — коэффициенты нелинейности слоев; 21, ZZ — коэффици- енты сжимаемости; 1μ — вязкость жидкости; 21, ПП — пористости; E — мо- дуль упругости; v — коэффициент Пуассона; 21, hh — мощности слоев; L — длина обрабатываемого участка пласта. Численные расчеты проводили при следующих значениях физико- механических и геометрических параметров угольного пласта и вмещающих пород: .2.0,3.0,10,2,5,0,/1,0,/4,0,10,10 1121 2 2 2 1 211 02 210 01 ========= −− ППмLмhмhНмНммkмk ββ Результаты численного расчета вариантов представлены на рис. 1 и 2. При расчетах фильтрационного процесса в угольном массиве при гидро- пульсационном воздействии реализуется модель, согласно которой пористость и проницаемость монотонно возрастают при увеличении числа циклов нагру- жения. Анализируя полученные результаты, легко видеть, что средний суммар- ный переток возрастает с ростом числа циклов нагружения. При высоких зна- чениях числа циклов пульсаций начинает проявляться насыщение массива жидкостью, причем насыщение наступает при меньшем числе циклов в случае большого времени вибрации. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114 110 Рисунок 1 - Изменение среднего перетока жидкости q в зависимости от числа циклов гид- ропульсаций N (а) и проницаемости k (б) Рисунок 2 - Зависимость изменения пористости П (а) и проницаемости k (б) от числа циклов гидропульсаций Средний суммарный переток жидкости q существенно зависит и от прони- цаемости. До значений проницаемости менее 110− наблюдается пропорциональ- ная зависимость между перетоком и проницаемостью. При дальнейшем увели- чении проницаемости рост среднего суммарного перетока замедляется. Таким образом, обоснованная в работе модель механизма фильтрационных процессов в горном массиве при наложении гидравлических ударов на столб нагнетаемой в пласт жидкости позволяет оценить условия разрыхления и ув- лажнения угольного массива при выполнении противовыбросного мероприя- тия. Показано, что пористость и проницаемость угольного массива монотонно возрастают при увеличении числа циклов ударного нагружения, при этом средний суммарный переток нагнетаемой жидкости возрастает с ростом числа циклов ударного нагружения. ––––––––––––––––––––––––––––––– СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Горные работы в сложных условиях на выбросоопасных угольных пластах // Минеев С.П., Ру- бинский А.А., Витушко О.В., Радченко А.Г. – Донецк: Східний видавничий дім, 2010.- 603 с. ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114 111 2. Потураев, В.Н. Научно-технические принципы виброволновой и пульсационной обработки выбросоопасных пластов / В.Н. Потураев, А.Ф. Булат С.П. Минеев // Уголь Украины.- 1992.- № 3.- С. 29-36. 3. Усов, О.А. Сравнение энергии воздействия кавитационных колебаний воды на стенки скважи- ны с энергией воздействия на массив отбойного молотка / О.А. Усов, А.А. Потапенко // Геотехниче- ская механика: Межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2012. – вып. 95.- С.223-229. 4. Потураев, В. H. Использование волновых и вибрационных эффектов при отработке выбросо- опасных пластов / В.Н. Потураев, С.П. Минеев. — Киев: Наук. думка, 1992.— 219 с. 5. Цынкова, О. Э. О режиме вынужденных колебаний для нелинейной фильтрации жидкости в пласте / О.Э. Цынкова // Механика жидкости и газа.— 1974.— № 4.— С. 62—68. 6. Моисеенко, П.Ю. Обоснование параметров кавитационного генератора для гидрорыхления угольных пластов: автореф. дис. на соискан. ученой степ. канд. техн. наук: спец. 05.05.06 / П.Ю. Моисеенко.- Днепропетровск, 2010.- 20 с. 7. А. с. № 1081356, СССР МКИ4Е 21Г 5/00. Способ предотвращения внезапных выбросов угля и газа / А. Н. Зорин, А. П. Клец, В. Г. Колесников, С. П. Минеев, И. А. Гайнутдинов, В. С. Лапко.— Опубл. 23.09.84.- Бюл. № 11. 8. Минеев, С.П. Снижение выбросоопасности угольных пластов вибрационным воздействием на горный массив / С.П.Минеев, В.В. Репецкий // Уголь Украины.-1987.- № 10.- С. 39-40. 9. Гидравлика гидромашин и гидроприводы / Т. М. Башта, С. Н. Руднев, Б. Б. Некрасов [и др].— М.: Машиностроение, 1982.— 442 с. 10. Круш, И.И. Особенности численного анализа динамических систем переменной структуры / И.И. Круш, В.П. Сергеев // Вибрационные эффекты в горных машинах и технологиях.— Киев: Наук. думка, 1990.—С. 107—111. 11. Минеев, С.П. Характеристики циклической долговечности угля // Уголь Украины. 1987.- №2.- С. 17-18. 12. Кобранова, В. Н. Физические свойства горных пород.— М. : Гостоптехиздат, 1962.— 490 с. REFERENCES 1. Mineev, S.P., Rubinsky, A.A., Vitushko, O.V. and Radchenko, A.G. (2010), Gorniye raboty v slozhnich usloviyakh na vybrosoopasnykh ugolnikh plastakh [Mining operations in difficult conditions on the outburst coal seams], Shіdny vidavnichy Dim, Donetsk, Ukraine. 2. Poturaev, V.N., Bulat, A.F. and Mineev, S.P. (1992), "Scientific and technical principles and fluctua- tion vibrovolnovoy processing outburst layers", Coal of Ukraine, no. 3. - pp. 29-36. 3. Usov, O.A. Comparison of effects of cavitation energy vibrations of water on the walls of the well with the energy impact on the array jackhammer / O.A. Usov, A.A. Potapenko / / Geo-Technical Mechanics, no. 95, p.223 -229 4. Poturaev, V.N. and Mineev S.P. (1992), Ispolzovaniye volnovykh i vibracionnyrh effektov pri otrabotke vybrosnoopasnykh plastov ["Using the wave and vibration effects when developing outburst seams], Naukova Dumka , Kiev, Ukraine. 5. Tsynkova, O.E. (1974), "About forced oscillation mode for nonlinear filtering fluid in the reservoir", Fluid Mechanics,no. 4 . - pp. 62-68. 6. Moiseenko, P.Y. (2010), "Justification cavitation generator parameters for coalbed gidroryhleniya", abstract of Ph. D. dissertation, 05.05.06, Dneprpopetrovsk, Ukraine. 7. A. p. Number 1081356, USSR, MKI4E 21G 5/00. A method for preventing sudden coal and gas / A.N. Zorin, A.P. Klets, V.G. Kolesnikov, S.Р. Mineev, I.A. Gainutdinov, V.S. Lapko. - Publ . 09.23.84 . Bull. № 11. 8. Mineev, S.P. and Repetsky, V.V. (1987), "Reduced outburst coal seams vibration exposure Massif", Coal of Ukraine, no. 10, pp 39-40. 9. Bashta, T.M., Rudnev, S.N. and Nekrasov, B.B. (1982), Gidravlika gidromashin I gidroprivody [Hy- draulic machines and hydraulic transmissions], Engineering , Moscow, Russia. 10. Crush, I.I. and Sergeev, V.P. (1990), "Features of the numerical analysis of dynamical systems with variable structure", Vibration effects in mining machinery and technology, Naukova dumka, Kiev, Ukraine. 11. Mineev, S.P. (1987), "Characteristics cyclic durability of coal", Coal of Ukraine, no. 2, pp 17-18. 12. Kobranova, V.N. (1962), Fizicheskiye svoistva gornykh porod [Physical properties of rocks], Gostoptekhizdat, Moscow, Russia. ––––––––––––––––––––––––––––––– ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114 112 Об авторах Минеев Сергей Павлович, д-р техн. наук, профессор, зав. отделом управления динамическими проявлениями горного давления Института геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Ук- раины (ИГТМ НАН Украины), sergmineev@gmail.com. Потапенко Александр Алексеевич, генеральный директор "Донецкая угольная энергетическая компания" (ДУЭК). About the authors Mineev Sergei Pavlovich, D.Sc. (Tech.), Professor, Head of Department of Pressure Dinamic Control in Rocks of the N.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics NAS of Ukraine (IGTM NAS of Ukraine), sergmineev@gmail.com. Potapenko Alexander Alekseyevich, General Director of "Donetsk Coal Energy Company" (DUEK). ––––––––––––––––––––––––––––––– Анотація. В роботі обгрунтований механізм процесів фільтрацій в гірському масиві, що відбуваються під час накладення гідравлічних ударів на потік рідини, що нагнітається у вугі- льний пласт. Даний механізм може бути використаний для підвищення ефективності нагні- тання рідини в пласт в режимі його гідравлічного спушення. Модель даного механізму до- зволяє оцінити умови спушення прівибійної частини пласта і параметри ефективного зволо- ження вугільного масиву при виконанні протівовикидного заходу. Приведена залежність зміни пористості у міру циклічного навантаження масиву за рахунок накопичення пошко- джень в кутку. Показано, що пористість і проникність вугільного масиву монотонно зроста- ють до певної величини при збільшенні числа циклів ударного навантаження, при цьому се- реднє сумарне перетікання рідини, що нагнітається в пласт, зростає із зростанням числа цик- лів ударного навантаження. Ключові слова: зволоження масиву, протівовикидний захід, гідроудар, фільтраційний процес. Annotation. Mechanism of filtration processes in the rocks occurred at applying hydraulic shock on the stream of liquid injected into the coal layer is explained in this work. This mechanism can be used for improving liquid injection into the layer when the layer is in the process of hydrau- lic loosening. A model of this mechanism allows to determine conditions for loosening a face area of the layer and parameters for effective watering of the coal mass at implementation of measures against outburst. Dependence of porosity changes in the process of cyclic loading of the coal mass due to accumulated coal disturbances is presented. It is shown that coal porosity and permeability increase monotonically up to a certain size at increasing number of cycles of the shock loading, and average total flow of liquid injected into the coal mass increases with grown number of cycles of the shock loading. Keywords: watering of the coal mass, measures against outburst, hydraulic shock, filtration process. Статья поступила в редакцию 14.01. 2014 Рекомендовано к публикации д-ром техн. наук К.К. Софийским mailto:sergmineev@gmail.com� ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114 113 УДК 622.833.5.622.016.52 Г.А. Симанович, д-р техн. наук, профессор, В.В. Фомичов, канд. техн. наук, доцент, В.А. Соцков, аспирант (ГВУЗ «НГУ») ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОН ПОВЫШЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, ВЛИЯЮЩИХ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ДЕМОНТАЖНОЙ КАМЕРЫ В ЗОНЕ ОЧИСТНЫХ РАБОТ Г.А. Симанович, д-р техн. наук, професор, В.В. Фомичов, канд. техн. наук, доцент, В.О. Соцков, аспірант (ДВНЗ «НГУ») ВИЗНАЧЕННЯ ЗОН ПІДВИЩЕННИХ НАПРУЖЕНЬ, ЩО ВПЛИВАЮТЬ НА СТІЙКІСТЬ МОНТАЖНОЇ КАМЕРИ В ЗОНІ ОЧИСНИХ РОБІТ G.A. Simanovich, D.Sc. (Tech.), Professor, V.V. Fomichov, Ph.D. (Tech.), Associate Professor V.A. Sotskov, Doctoral Student (SHEE “NMU”) DETERMINATION OF AREAS WITH HIGH STRESSES IMPACTING ON DISMANTLING DRIFT STABILITY IN A ZONE WITH WINNING OPERATIONS Аннотация. В ходе вычислительного эксперимента выполнен расчет напряженно- деформированного состояния (НДС) массива горных пород вокруг лавы при пошаговом приближении забоя к демонтажному штреку. Выявленные особенности НДС близлежащего массива позволяют обоснованно подходить к выбору схем поддержания подготовительной выработки с учетом влияния приближающейся лавы. Построение функции перехода, осно- ванной на сформированных допущениях, позволило определить координаты оптимального обрушения породных слоев. Полученные результаты анализа вычислительного эксперимен- та, проведенного для условий шахт Западного Донбасса, показали возможность эффективно- го использования для обоснования технических решений параметров зон концентрации на- пряжений в условиях взаимного влияния подготовительной выработки и очистного забоя. Ключевые слова: вычислительный эксперимент, очистные работы, демонтажный штрек Актуальность. Взаимное влияние горных выработок может носить различ- ный характер. При неизменных геометрических составляющих сопряжения вы- работок анализ их устойчивости следует проводить с применением статических постановок задачи [1 - 3]. __________________________________________________________________ © Г.А. Симанович, В.В. Фомичов, В.А. Соцков, 2013

Механизм фильтрационных процессов в горном массиве при наложении гидравлических ударов на столб нагнетаемой в пласт жидкости

Репозитарії

Схожі ресурси