Оценка особенностей фильтрации свободного метана в структурно-неоднородном угольном пласте
Выполнены аналитические исследования о распределении давления свободного газа при нестационарном изотермическом процессе в структурно неоднородном угольном пласте в зоне влияния опорного давления.. В основу работы взята известная модель нестационарной изотермической фильтрации Желтова Ю.П., полученн...
Gespeichert in:
| Datum: | 2016 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2016
|
| Schriftenreihe: | Геотехнічна механіка |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137788 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Оценка особенностей фильтрации свободного метана в структурно-неоднородном угольном пласте / С.П. Минеев, В.Н. Сапегин, Ю.И. Головко, А.С. Янжула // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2016. — Вип. 128. — С. 105-115. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-137788 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1377882018-06-18T03:09:10Z Оценка особенностей фильтрации свободного метана в структурно-неоднородном угольном пласте Минеев, С.П. Сапегин, В.Н. Головко, Ю.И. Янжула, А.С. Выполнены аналитические исследования о распределении давления свободного газа при нестационарном изотермическом процессе в структурно неоднородном угольном пласте в зоне влияния опорного давления.. В основу работы взята известная модель нестационарной изотермической фильтрации Желтова Ю.П., полученная методом интегральных соотношений Г.И. Баренблатта для однородного угольного пласта в однородном поле напряжений при постоянном забойном и пластовом давлении газа, постоянных значениях пористости и газовой проницаемости угольного пласта. Использование в работе расчета газовой проницаемости в зонально неоднородной среде по методу Басниева К.С. позволяет определить усредненные характеристики структурно неоднородного угольного пласта, а именно, газовую проницаемость среды и применить известную модель Желтова Ю.П. для расчета распределения давления. В статье предложен алгоритм расчета структурно неоднородной среды, включая и геологическую нарушенную среду, который позволяет определить распределение давления газа в зависимости от расстояния от забоя выработки и времени фильтрации, скорость фильтрации газа в зоне опорного давления. Виконано аналітичні дослідження про розподіл тиску вільного газу при нестаціонарному ізотермічному процесі в структурно неоднорідному вугільному пласті в зоні впливу опорного тиску . В основу роботи взята відома модель нестаціонарної ізотермічної фільтрації Желтова Ю.П., отримана методом інтегральних співвідношень Г.І. Баренблатта для однорідного вугільного пласта в однорідному полі напружень при постійному забійному і пластовому тисках газу, постійних значеннях пористості і газової проникності вугільного пласта. Використання в роботі розрахунку газової проникності в зонально неоднорідному середовищі за методом Баснієва К.С. дозволяє визначити усереднені характеристики структурно неоднорідного вугільного пласта, а саме, газову проникність середовища і застосувати відому модель Желтова Ю.П. для розрахунку розподілу тиску. У статті запропоновано алгоритм розрахунку структурно неоднорідного середовища, включаючи і геологічну порушену середу, який дозволяє визначити розподіл тиску газу в залежності від відстані від вибою виробки і часу фільтрації, швидкість фільтрації газу в зоні опорного тиску. Distribution of free-gas pressure in structurally inhomogeneous coal seam in zone with bearing pressure was analyzed at unsteady isothermal process. The well-known Yu.P.Zheltov’s model of unsteady isothermal filtration was used, which was created by the G.I. Barenblatt’s method of integral relations for uniform coal seam in a uniform stress field with constant gas pressure in the bottom-hole and seam and constant porosity of and constant gas permeability in the coal seam. In this study, gas permeability in a zonally inhomogeneous medium was calculated by the K.S. Basniev’s method, and with the help of this method, it is possible to determine average characteristics of the coal-layer structural heterogeneity, namely, gas permeability of the medium, and to apply the well-known Yu.P. Zheltov’s model in order to calculate the pressure distribution. In this article, an algorithm is proposed for calculating structural inhomogeneous medium, including geologically disturbed medium, which allows determining distribution of gas pressure depending on distance from the face of the tunnel, filtration time and speed of gas filtration in zone with bearing pressure. 2016 Article Оценка особенностей фильтрации свободного метана в структурно-неоднородном угольном пласте / С.П. Минеев, В.Н. Сапегин, Ю.И. Головко, А.С. Янжула // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2016. — Вип. 128. — С. 105-115. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137788 622.411.322 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 |
Выполнены аналитические исследования о распределении давления свободного газа при нестационарном изотермическом процессе в структурно неоднородном угольном пласте в зоне влияния опорного давления.. В основу работы взята известная модель нестационарной изотермической фильтрации Желтова Ю.П., полученная методом интегральных соотношений Г.И. Баренблатта для однородного угольного пласта в однородном поле
напряжений при постоянном забойном и пластовом давлении газа, постоянных значениях
пористости и газовой проницаемости угольного пласта. Использование в работе расчета газовой проницаемости в зонально неоднородной среде по методу Басниева К.С. позволяет
определить усредненные характеристики структурно неоднородного угольного пласта, а
именно, газовую проницаемость среды и применить известную модель Желтова Ю.П. для
расчета распределения давления. В статье предложен алгоритм расчета структурно неоднородной среды, включая и геологическую нарушенную среду, который позволяет определить
распределение давления газа в зависимости от расстояния от забоя выработки и времени
фильтрации, скорость фильтрации газа в зоне опорного давления. |
| format |
Article |
| author |
Минеев, С.П. Сапегин, В.Н. Головко, Ю.И. Янжула, А.С. |
| spellingShingle |
Минеев, С.П. Сапегин, В.Н. Головко, Ю.И. Янжула, А.С. Оценка особенностей фильтрации свободного метана в структурно-неоднородном угольном пласте Геотехнічна механіка |
| author_facet |
Минеев, С.П. Сапегин, В.Н. Головко, Ю.И. Янжула, А.С. |
| author_sort |
Минеев, С.П. |
| title |
Оценка особенностей фильтрации свободного метана в структурно-неоднородном угольном пласте |
| title_short |
Оценка особенностей фильтрации свободного метана в структурно-неоднородном угольном пласте |
| title_full |
Оценка особенностей фильтрации свободного метана в структурно-неоднородном угольном пласте |
| title_fullStr |
Оценка особенностей фильтрации свободного метана в структурно-неоднородном угольном пласте |
| title_full_unstemmed |
Оценка особенностей фильтрации свободного метана в структурно-неоднородном угольном пласте |
| title_sort |
оценка особенностей фильтрации свободного метана в структурно-неоднородном угольном пласте |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2016 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137788 |
| citation_txt |
Оценка особенностей фильтрации свободного метана в структурно-неоднородном угольном пласте / С.П. Минеев, В.Н. Сапегин, Ю.И. Головко, А.С. Янжула // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2016. — Вип. 128. — С. 105-115. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| series |
Геотехнічна механіка |
| work_keys_str_mv |
AT mineevsp ocenkaosobennostejfilʹtraciisvobodnogometanavstrukturnoneodnorodnomugolʹnomplaste AT sapeginvn ocenkaosobennostejfilʹtraciisvobodnogometanavstrukturnoneodnorodnomugolʹnomplaste AT golovkoûi ocenkaosobennostejfilʹtraciisvobodnogometanavstrukturnoneodnorodnomugolʹnomplaste AT ânžulaas ocenkaosobennostejfilʹtraciisvobodnogometanavstrukturnoneodnorodnomugolʹnomplaste |
| first_indexed |
2025-07-10T04:28:48Z |
| last_indexed |
2025-07-10T04:28:48Z |
| _version_ |
1837232799662211072 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128
105
УДК 622.411.322
Минеев С.П., д-р техн. наук, профессор,
Сапегин В.Н., канд. техн. наук
(ИГТМ НАН Украины)
Головко Ю.И., магистр,
Янжула А.С., магистр
(ПАО «Шахтоуправление «Покровское»)
ОЦЕНКА ОСОБЕННОСТЕЙ ФИЛЬТРАЦИИ СВОБОДНОГО МЕТАНА В
СТРУКТУРНО НЕОДНОРОДНОМ УГОЛЬНОМ ПЛАСТЕ
Мінєєв С.П., д-р техн. наук, професор,
Сапегін В.М., канд. техн. наук
(ІГТМ НАН України)
Головко Ю.И., магістр,
Янжула O.С., магістр
(ПАТ «Шахтоуправління «Покровське»)
ОЦІНКА ОСОБЛИВОСТЕЙ ФІЛЬТРАЦІЇ ВІЛЬНОГО МЕТАНУ В
СТРУКТУРНО НЕОДНОРІДНОМУ ВУГІЛЬНОМУ ПЛАСТУ
Мineev S.P., D.Sc.(Tech), Professor,
Sapegin V.N., Ph.D (Tech)
(ИГТМ НАН Украины)
Golovko Yu.I., M.S (Tech),
Yanzhula A.S., M.S (Tech)
(PJSC «MM «Pokrovskoye»)
ESTIMATION OF PARTICULAR FREE-METHANE FILTRATION IN
STRUCTURALLY HETEROGENEOUS COAL SEAMS
Аннотация. Выполнены аналитические исследования о распределении давления свобод-
ного газа при нестационарном изотермическом процессе в структурно неоднородном уголь-
ном пласте в зоне влияния опорного давления.. В основу работы взята известная модель не-
стационарной изотермической фильтрации Желтова Ю.П., полученная методом интеграль-
ных соотношений Г.И. Баренблатта для однородного угольного пласта в однородном поле
напряжений при постоянном забойном и пластовом давлении газа, постоянных значениях
пористости и газовой проницаемости угольного пласта. Использование в работе расчета га-
зовой проницаемости в зонально неоднородной среде по методу Басниева К.С. позволяет
определить усредненные характеристики структурно неоднородного угольного пласта, а
именно, газовую проницаемость среды и применить известную модель Желтова Ю.П. для
расчета распределения давления. В статье предложен алгоритм расчета структурно неодно-
родной среды, включая и геологическую нарушенную среду, который позволяет определить
распределение давления газа в зависимости от расстояния от забоя выработки и времени
фильтрации, скорость фильтрации газа в зоне опорного давления.
Ключевые слова: фильтрация, геологическое нарушение, газовая проницаемость, струк-
турно неоднородный пласт, давление газа, зона опорного давления
© С.П. Минеев, В.Н. Сапегин, Ю.И. Головко, А.С. Янжула, 2016
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128
106
Теория фильтрация нестационарного движения газов и жидкостей в пори-
стых и трещиновато пористых средах разработана в фундаментальных трудах
Лейбензона Л.С., Баренблатта Г.И., Желтова Ю.П., а в горной науке по филь-
трации газов и жидкостей в угольных пластах в трудах С.В. Кузнецова, Трофи-
мова В.А. [1] и др.
Существенные особенности фильтрационных процессов возникают в струк-
турно неоднородном нарушенном угольном пласте, попадающем в зону влия-
ния опорного давления. В угольном пласте в зоне опорного давления изменяет-
ся пористость и проницаемость пласта. К тому же поле напряжений в этой зоне
пласте так же неравномерно, что затрудняет применение напрямую уже полу-
ченных известных классических решений по нестационарной фильтрации газа.
Поэтому оценка фильтрационных особенностей движения газа в структурно-
неоднородном угольном пласте является актуальной задачей, решению которой
и посвящена данная статья.
Для получения подобных аналитических решений часто используют раз-
личные приближенные методы: метод смены стационарных состояний, метод
интегральных соотношений и многие другие. Наиболее приемлемым является
метод интегральных соотношений, разработанный Г.И. Баренблаттом, который
обладает высокой точностью расчета, погрешность которого не превышает 3%
от точного решения. Так как давление, скорость и расход газа в угольном пла-
сте при ламинарной фильтрации изменяются во времени, протекают, как пра-
вило, с небольшой скоростью и при неизменной температуре, эти процессы
можно считать изотермическими и нестационарными.
Для нестационарной изотермической фильтрации газа часто используется
уравнение Лейбензона Л.С. в форме
2
22
2 x
p
m
k
t
p ф
(1)
где p - текущее давление газа в пласте, Па; t - время, с; - газовая проницае-
мость угольного пласта, м
2
; m - пористость угля.
Для приближенного решения уравнения (1) в одномерной постановке Жел-
товым Ю.П. при помощи метода интегральных соотношений предложено ре-
шение для полубесконечного пласта шириной B и мощностью h .
Граничные условия задачи: р = при х = 0 и р = при x = ∞, где -
давление газа в нетронутом пласте; pa - постоянное забойное давление газа или
барометрическое давление. Распределение давления в угольном пласте пред-
ставлено в виде
22
, 2
2
2
2 A
p
tL
xA
tL
x
Atxp u (2)
где 2 22 u aA p p
2
0,5up
A
при p=pu, 0 xp при x = L(t).
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128
107
Решение уравнения (1) при таких граничных условиях имеет вид
2
1
1
2
1
2
Jm
tkA
tL
(3)
где L(t) - граница зоны возмущения давления газа в угольном пласте; m – пори-
стость пласта.
1
0 2
1
2
2
1
dJ
С учетом (3) распределение давления (2) будет иметь следующий вид
;
2222
2, 2
2
1
1
2122
2
22
2
1
1
2122
22
c
c
c
c
c p
Jm
tkpp
x
pp
Jm
tkpp
x
pptxp
Приведенная модель содержит аналитическое решение, удобное для анали-
за, она достаточно проста и может быть использована при определении филь-
трационных характеристик свободного газа угольного пласта при постоянных
забойном и пластовом давлении, когда можно пренебречь влиянием сорбцион-
ного газа.
Как видно из (3), распределение давления в угольном пласте, скорость
фильтрации и дебит газа зависят в основном от газовой проницаемости пород k
и ее пористости m Однако в исходное уравнение (1) входят постоянные значе-
ния пористости, коэффициента газовой проницаемости, забойного давления га-
за и пластового давления газа в нетронутом массиве. В реальных условиях они
в зоне предельного состояния постоянны; за этой зоной и в области геологиче-
ской нарушенности являются переменными величинами.
Переменную пористость пласта в области предельного состояния для
Hy 1 определяют по известной формуле из работ [2, 3]
111 5,015,01
0
2
5,0
2
5,0
1 yy DDa
i e
D
aD
e
D
aD
mm
(4)
где m0 - начальная пористость или пористость отбитого угля; a1 - коэффициент
компрессии соответствующей области нагружения;
4
2
1a
D - обобщенный
коэффициент компрессии; dda1 - коэффициент, характеризующий кри-
визну компрессионной кривой.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128
108
Пористость для зоны предельного состояния для порога уплотнения
Hy 1 определяется по формуле из работы [2]
2 1
1
a Hy
i Hm m e
. (5)
Пористость в зоне концентрации напряжений от порога уплотнения, где
прекращается влияние выработки, определяется по формуле [2]
12
2
yH
Hi emm
, (6)
где 1Hm - пористость угля при давлении H при нагрузке; 2Hm - пористость
угля при давлении H при разгрузке; 22 ,a - коэффициенты компрессии и де-
компрессии соответствующей области нагружения, которые определяются экс-
периментальным путем.
Коэффициент компрессии a2 принимался по компрессионным кривым при
нагружении для угля пласта шахты « Покровская».
График изменения пористости m при нагружении угольного образца рассчи-
тывался по формуле (5) и приведен на рис. 1.
Рисунок 1 - Изменение пористости m в зоне предельного состояния при нагружении угля
Исходные данные для расчета угля пласта ш. «Покровская»: 1Hm = 0,06; a2 =
4,9*10
-4
1/МПа ; H = 25 МПа; H = 1000 м.
Из рис. 1 видно, что пористость угля с ростом нагрузки уменьшается. Одна-
ко существенное уменьшение пористости происходит при высоких давлениях
более 500 МПа. В нашем случае ( H 25 МПа) пористость при нагрузке равна
0,06, а при разгрузке для угля пласта ш. «Покровская» m = 0,078, в зоне пика
опорного давления, где давление будет примерно в три раза больше, она будет
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128
109
равна m = 0,0585.
Таким образом, зависимость пористости угля от давления при разгрузке и
нагрузке близка к линейной зависимости при давлении горных пород, не пре-
вышающем 1000 МПа, и в этом диапазоне давления горных пород изменением
пористости угля при нагружении и разгрузке при решении фильтрационных за-
дач можно пренебречь.
Наиболее важным параметром для расчета фильтрационных параметров и
решения уравнения (1) является газовая проницаемость угля k.
Коэффициент газовой проницаемости является переменной величиной по
всей длине зоны опорного давления и в зоне геологической нарушенности. Вне
зоны влияния геологических нарушений от забоя до пика горного давления его
определяют, как функцию от величины горного давления для зоны предельного
состояния до зоны пика горного давления по известным формулам Петухова
И.М. и Линькова А.М.
Для участка зоны предельного состояния призабойной зоны опорного дав-
ления пласта коэффициент газовой проницаемости kф определяется по формуле
| |1
1 1
b k b ab k ф c ф y mф c
ф фт фk k С e e
, (7)
где
фт
фр
ф
k
k
С ; фрk - газопроницаемость угля в разгруженном состоянии; фтk -
минимальная газопроницаемость угля в нагруженном состоянии, когда при
определенной величине напряжений в основном прекращается процесс филь-
трации свободного газа; расстояние от забоя очистной выработки до расчет-
ной точки в зоне предельного состояния a .
Зависимость (7) устанавливает связь между зоной опорного давления и
фильтрацией газа в этой зоне.
Для участка зоны пика опорного давления и упругой зоны за пиком коэф-
фициент газовой проницаемости определяется по формуле
| |11 1
bф y
ф фт фk k С e
. (8)
В реальных условиях структура угольного пласта как по мощности, так и по
длине является неоднородной (различная пористость, различная проницае-
мость, различная длина участков в угольном пласте). Часто слои, относительно
ненарушенные, перемежаются с нарушенными с различной степенью трещино-
ватости. Особое место занимает малоамплитудная нарушенность в зонах влия-
ния угольного пласта или опорного давления. Это - природная структура со
своим распределением прочностных и фильтрационных свойств. Наличие в
угольном пласте малоамплитудной нарушенности вносит специфику в режимы
фильтрации газа в пласте и в самом нарушении. Данные о величинах пористо-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128
110
сти, трещиноватости и характеристиках газовыделения получают по результа-
там исследований и статистического анализа экспериментальных данных о гео-
логических нарушениях [4,5]. При этом важным фактором, который следует
учитывать в прогнозах, является переменность газопроницаемости. Вблизи об-
наженной поверхности образуется разгруженная от горного давления зона, в
которой происходит раскрытие кливажных и техногенных трещин, что значи-
тельно увеличивает пористость и газопроницаемость. Наибольшее влияние на
проницаемость пласта оказывает ширина раскрытия трещин. Величина прони-
цаемости трещиноватого угля может меняться в процессе выделения и погло-
щения газа из-за набухания и усадки газоносного угля.
Влияние средних напряжений на проницаемость угля и вмещающих пород
описывается формулой, приведенной в [6]:
10013,1C , (9)
где С - проницаемость, мД; β – эмпирический коэффициент, β = 0,31∙10
-6
Па; σ –
среднее нормальное напряжение, Па;
3
zyx
.
Если известно значение проницаемости С0 при среднем напряжении σ0, то
проницаемость С при произвольном среднем напряжении σ определяется по
формуле из работы [7]
0100CC , (10)
где σ0 – среднее напряжение в массиве при известном значение проницаемости
С0.
Реальная проницаемость угольного пласта устанавливается только в шахт-
ных условиях экспериментально-аналитическими методами по результатам
опробования скважин, в которых учитываются непредсказуемые факторы, та-
кие как сложное распределение давления горных пород и газового давления,
концентрация напряжений вокруг выработанного пространства и в области зон
геологических нарушений. Следовательно, для того чтобы использовать уже
известное решение (3) уравнения (1), необходимо определить средний коэффи-
циент проницаемости газа для структурно неоднородного угольного пласта в
зоне опорного давления, применив для этого известный метод Басниева К.С.,
представив угольный пласт как структурно неоднородный, составленный из от-
дельных участков с разной пористостью и проницаемостью, c использованием
теоретических зависимостей для газовой проницаемости угольного пласта в
различных областях опорного давления [2,3].
Среднее значение коэффициента газовой проницаемости для структурно не-
однородной системы, состоящей из различных участков угольного пласта меж-
ду забоем пласта и нарушением, определим из выражения, составленного из
условия постоянства расхода газа в различных участках пласта по формуле
Басниева К.С.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128
111
n
i i
i
kср
k
Lk
1
, (11)
где i - длина отдельных участков с постоянным или фиксированным значени-
ем коэффициента газовой проницаемости; kL - полная длина структурно неод-
нородного участка (зоны опорного давления); ki – коэффициенты газовой про-
ницаемости отдельных участков угольного пласта или нарушенности, на кото-
рых они имеют постоянное значение для ненарушенного угольного пласта или
нарушенности.
Для условий шахты «Покровская» приведены расчетные кривые для распре-
деления давления газа в зоне опорного давления при различном положении зо-
ны нарушенности относительно зоны опорного давления
Полагаем в первом приближении пористость для всего угольного пласта по-
стоянной, так как она фактически учитывается величиной коэффициента газо-
вой проницаемости, являющегося функцией горного давления или напряжений
[8], а сжимаемость газа намного выше, чем сжимаемость угля [1,7].
На рис. 2 показан характер распределения давления газа в зоне опорного
давления при различной газовой проницаемости: для ненарушенного угля, ком-
бинации ненарушенного угля с нарушенным и полностью нарушенного угля.
Рисунок 2 - Распределение давления газа в зависимости от расстояния до забоя
пласта при различной газовой проницаемости для условий шахты «Покровская»
Кривые на рисунке построены для условий: 1 - для ненарушенного угля в
зоне опорного давления, m = 0,05; t = 0,25 10
5
с; k = 1,191 10
-15
м
2
; мx 5,48 ;
2 - для ненарушенного в зоне предельного состояния ( мx 5,8 ) и нарушенно-
го в упругой зоне опорного давления мxм 1105,8 ; m = 0,15; t = 0,5 10
5
с;
k = 7,789 10
-15
м
2
; 3 - для нарушенного угля в зоне опорного давления – m =
0,15; t = 0,7 10
5
с; k = 2,74 10
-14
м
2
; мx 220 .
Как показывают расчеты, газовая проницаемость нарушенной зоны пример-
но в 23 раза больше, чем в ненарушенном угольном пласте.
Экспериментальные значения проницаемости полученные в лабораторных
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128
112
исследованиях достигают величину порядка 10
-18
м
2
[1,6,7]. При коэффициенте
газовой проницаемости, равной k = 10
-20
,м
2
, фактически отсутствует фильтра-
ция свободного газа и высокое давление газа наблюдается вблизи забоя пласта
и близко к пластовому (угольный пласт не дегазируется).
Для нарушенной зоны и условий ш. «Покровская»: k = 2.74*10
-14
; m = 0.15
приведены на рис. 3 зависимости распределения давления газа по длине пласта
для различных фиксированных моментов времени. Кривые на рисунке постро-
ены для условий: 1 - t = 35 c; 2 - t=115 c; 3 - t = 0.6 10
3
c (0,16 часа); 4 - t = 1.1 10
3
c (0,3 часа); 5 - t = 1.9 10
3
(0,5 часа); 6 - t = 0.35 10
4
c (1 час); 7 - t = 0.7 10
4
c (2
часа).
Рисунок 3 - Характер изменения давления в нарушенном угле в зависимости от
расстояния от забоя при различных фиксированных моментах времени
Расчет кривых распределения давления газа на рис. 2 и 3 осуществлялся
следующим образом:
1) разбиваем зону опорного давления на отдельные участки;
2) определяем для каждого из выделенных участков среднее напряжение
(горное давление), действующее на этих участках, используя для этого эпюру
изменения горного давления по длине угольного пласта в опорной зоне, полу-
ченную теоретически или экспериментальным способом;
3) определяем газовую проницаемость по величине средних действующих
напряжений по формулам (9),(10) для нарушенной и ненарушенных зон (7), (8);
4) определяем среднюю газовую проницаемость для всей зоны опорного
давления по методу К. С. Басниева, используя зависимость (11);
5) определяем по величине средней газовой проницаемости длину зоны
фильтрационного возмущения по формуле (3);
6) подставляя значения зоны фильтрационного питания в формулу (2) для
давления газа, и задавая фиксированное время фильтрации, получаем зависи-
мость давления газа от расстояния от забоя до пласта;
7) используя зависимость распределения давления газа, по формуле (12)
определяем скорость фильтрации в любой области распределения давления га-
за.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128
113
Скорость фильтрации в структурно неоднородном пласте определим для
любой зоны опорного давления по формуле Басниева К.С.
n
i i
i
ii
k
pp
V
1
1
(12)
Таким образом, в исследуемом диапазоне изменения горного давления в об-
ласти опорного давления пористость при нагрузке и разгрузке угольного пласта
меняется незначительно, потому ее изменениями в расчетах распределения
давления газа в угольном пласте можно пренебречь.
Фильтрация газа в зоне опорного давления газа зависит от структуры уголь-
ного пласта. Если угольный пласт однородный, то расчет газовой проницаемо-
сти в области опорного давления проводится по формулам Петухова И.М. и
Линькова А.М.. Если в зону опорного давления угольного пласта наряду с не-
нарушенным углем попадает и зона геологического нарушения, то расчет газо-
вой проницаемости проводится с использованием формул (7), (8) для ненару-
шенного угля и формул, взятых из работ [6,7], а средняя проницаемость такой
системы определяется по методу Басниева К. С. [6] по формуле (11). При нали-
чии в зоне опорного давления только нарушенного угля (геологического нару-
шения), проницаемость угля определяется только с использованием зависимо-
стей (9), (10) для нарушенных углей, взятых из работ [6,7] и c применением ме-
тода К. С. Басниева. Определяющее влияние на распределение давления газа в
зоне опорного давления угольного пласта оказывает газовая проницаемость в
области пика горного давления.
Выводы: Новизна выполненных исследований состоит в том, что получила
дальнейшее развитие математическая модель нестационарной изотермической
фильтрации газа Ю. М. Желтова, используемая для расчета распределения дав-
ления газа в однородном угольном пласте при постоянном пластовом и забой-
ном давлении газа и постоянном значении пористости и коэффициенте газовой
проницаемости, на основе которой разработана математическая модель расчета
распределения давления газа в структурно неоднородном нарушенном уголь-
ном пласте при переменных значениях пористости и проницаемости в различ-
ных зонах опорного давления.
Установлено, что для структурно неоднородного угольного пласта, состоя-
щего из последовательно расположенных зон с различной проницаемостью, по-
ристостью и длиной, усредненная проницаемость зоны опорного давления за-
висит от общей длины зоны опорного давления и суммарного соотношения
длин участков к проницаемости ее отдельных частей и определяется мини-
мальной проницаемостью в области его пика.
_________________________________
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128
114
1. Кузнецов, С.В. Основная задача теории фильтрации газа в угольных пластах / С.В. Кузнецов,
В.А. Трофимов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых – 1999. – № 5. –
С. 13-18.
2. Минеев, С.П. Кинетика структурних изменений в зоне опорного давления газонасыщенного
пласта // С.П. Минеев, А.А. Прусова // Физико-технические проблемы разработки полезных ископае-
мых - 1992.-№ 2. – С. 53-60.
3. Минеев, С.П. Свойства газонасыщенного угля / С.П. Минеев - Днепропетровск: НГУ, 2009.-
220 с.
4. Дрибан, В.А. Направления исследований влияния малоамплитудной нарушенности на ведение
горных работ / В.А. Дрибан, И.А. Южанин, А.О. Севрюков // Наукові праці Укр НДМІ НАН Украї-
ни.-2011. - № 8. – С. 6-18.
5. Горные работы в сложных условиях на выбросоопасных пластах // С.П. Минеев, А.А. Рубинс-
кий, О.В. Витушко, А.В. Радченко - Донецк: Східний видавничій дім, 2010. - 604 с.
6. Харпалани, К. Влияние объемной деформации, вызванной производством газа, на проницае-
мость угля / К. Харпалани, Г. Чен // Геотехнология, геология и техника. – 1995. – № 15. – С. 303-325.
7. Enhanced Coal Bed Methane Recovery by Use of CO2 / Stevens S.H. [and others] // Journal of Petro-
leum Technology. – 1999. – V. 52.
8. Минеев, С.П. Моделирование фильтрационного процесса в угольном пласте, включающем зо-
ну нарушенности, насыщенную сорбированным и свободным метаном / С.П. Минеев, А.А. Прусова,
В.Н. Сапегин [и др.] // Межвед. сб. науч. тр. Геотехническая механіка: Межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ
НАН Украины. – 2016. - Вып. 127. - С. 70-81.
REFERENCES
1. Kuznetsov, S.V. and Trofimov, V.A. (1999), «The main problem of the theory of gas filtration in coal
seams, Physics-Technical Problems Development of Minerals, no. 5, pp. 13-18.
2. Mineev, S.P. and Prusova, A.A. (1992), «Kinetics of structural changes in the reference pressure zone
of gas-saturated reservoir», Physics-Technical Problems Development of Minerals, no. 2, pp. 53-60.
3. Mineev, S.P. (2009), Svoystva gazonasyshchennogo uglya [Properties of gas-saturated coal], NSU,
Dnepropetrovsk, UA.
4. Driban, V.A., Yuzhanin, I.A. and Sevryukov, A.O. (2011), «Directions researches of influencing of
few-amplitude violation on the conduct of mine works», Naukovі pratsі UkrNDMІ NAS Ukrayiny, no. 8, pp.
6-18.
5. Mineev, S.P., Rubinsky, A.A., Vitushka, O.V. and Radchenko, A.V. (2010), Gornye raboty v
slozhnykh usloviyakh na vybrosoopasnykh plastakh [Mining operations in difficult conditions in the outburst
seams], Shіdny vidavnichіy Dim, Donetsk, UA.
6. Harpalani, K. and Chen, G. (1995), «Effect of volumetric strain caused by gas production, coal per-
meability», Geotechnology, geology and technique, no. 15, pp. 303-325.
7. Stevens, S.H. [and others]. (1999), «Enhanced Coal Bed Methane Recovery by Use of CO2», Journal
of Petroleum Technology, Vol. 52.
8. Mineev, S.P., Prusova, A.A., Sapegin, V.N., Yanzhula, A.S. and Kishkan, M.A. (2016), «Simulation
of the filtration process in the coal pla-ste, include disorders of the zone, and its rich sorbed the free-
methane», Geo-Technical Mechanics, no. 127, pp. 70-81.
__________________________________
Об авторах
Минеев Сергей Павлович, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом управле-
ния динамическими проявлениями горного давления, Институт гертехнической механики
им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепропетровск,
Украина, sergmineev@ gmail.com.
Сапегин Владимир Николаевич, кандидат технических наук, научный сотрудник отдела про-
блем разработки месторождений на больших глубинах, Институт гертехнической механики
им. Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (ИГТМ НАН Украины), Днепропетровск,
Украины, sapegin@mail.ru.
Головко Юрий Иванович, магистр, директор шахтоуправления «Покровское», Покровск, Украи-
на
Янжула Алексей Сергеевич, магистр, главный инженер шахтоуправления «Покровское», По-
кровск, Украина
About the authors
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2016. № 128
115
Mineev Sergey Pavlovich, Doctor of Technical Sciences (D.Sc.), Professor, Head of Department of
Pressure Dynamics Control in Rocks, N.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National
Academy of Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine, sergmineev @ gmail.com
Sapegin Vladimir Nikolayevich, Candidate of Technical Sciences, Researcher of Department of Mineral
Mining at Great Depths, N.S. Polyakov Institute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of
Sciences of Ukraine (IGTM, NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine, sapegin@mail.ru.
Golovko Yuri Ivanovich, Master of Science, Director of the Mine Management "Pokrovskoye",
Pokrovsk, Ukraine
Yanzhula Aleksey Sergeyevich, Master of Science, Chief Engineer of the Mine Management
"Pokrovskoe", Pokrovsk, Ukraine
_____________________________
Анотація. Виконано аналітичні дослідження про розподіл тиску вільного газу при неста-
ціонарному ізотермічному процесі в структурно неоднорідному вугільному пласті в зоні
впливу опорного тиску . В основу роботи взята відома модель нестаціонарної ізотермічної
фільтрації Желтова Ю.П., отримана методом інтегральних співвідношень Г.І. Баренблатта
для однорідного вугільного пласта в однорідному полі напружень при постійному забійному
і пластовому тисках газу, постійних значеннях пористості і газової проникності вугільного
пласта. Використання в роботі розрахунку газової проникності в зонально неоднорідному
середовищі за методом Баснієва К.С. дозволяє визначити усереднені характеристики струк-
турно неоднорідного вугільного пласта, а саме, газову проникність середовища і застосувати
відому модель Желтова Ю.П. для розрахунку розподілу тиску. У статті запропоновано алго-
ритм розрахунку структурно неоднорідного середовища, включаючи і геологічну порушену
середу, який дозволяє визначити розподіл тиску газу в залежності від відстані від вибою ви-
робки і часу фільтрації, швидкість фільтрації газу в зоні опорного тиску.
Ключові слова: фільтрація, геологічне порушення, газова проникність, структурно неод-
норідний пласт, тиск газу, зона опорного тиску.
Abstract. Distribution of free-gas pressure in structurally inhomogeneous coal seam in zone
with bearing pressure was analyzed at unsteady isothermal process. The well-known Yu.P.Zheltov’s
model of unsteady isothermal filtration was used, which was created by the G.I. Barenblatt’s meth-
od of integral relations for uniform coal seam in a uniform stress field with constant gas pressure in
the bottom-hole and seam and constant porosity of and constant gas permeability in the coal seam.
In this study, gas permeability in a zonally inhomogeneous medium was calculated by the K.S.
Basniev’s method, and with the help of this method, it is possible to determine average characteris-
tics of the coal-layer structural heterogeneity, namely, gas permeability of the medium, and to apply
the well-known Yu.P. Zheltov’s model in order to calculate the pressure distribution. In this article,
an algorithm is proposed for calculating structural inhomogeneous medium, including geologically
disturbed medium, which allows determining distribution of gas pressure depending on distance
from the face of the tunnel, filtration time and speed of gas filtration in zone with bearing pressure
Keywords: filtration, geological dislocation, gas permeability, structurally heterogeneous seam,
gas pressure, zone with bearing pressure
Статья поступила в редакцию 16.06.2016
Рекомендовано к публикации д-ром геологических наук Л.И. Пимоненко
mailto:sapegin@mail.ru
|