Феноменологическая модель перераспределения напряжений в зоне обработки горного массива гидродинамическим воздействием

Стаття представляє концепцію механізму перерозподілу напруги при гідродинамічній дії на напружений газонасичений гірський масив через свердловину з витяганням вугілля і газу і створення за рахунок цього вторинної пористості в оброблюваній дією зоні....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автор:	Гаврилов, В.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2012
Назва видання:	Геотехническая механика
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54282
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:	Феноменологическая модель перераспределения напряжений в зоне обработки горного массива гидродинамическим воздействием / В.И. Гаврилов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 105. — С. 26-32. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-54282
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-542822014-01-31T03:11:58Z Феноменологическая модель перераспределения напряжений в зоне обработки горного массива гидродинамическим воздействием Гаврилов, В.И. Стаття представляє концепцію механізму перерозподілу напруги при гідродинамічній дії на напружений газонасичений гірський масив через свердловину з витяганням вугілля і газу і створення за рахунок цього вторинної пористості в оброблюваній дією зоні. The article introduces the concept of the mechanism of stress redistribution under hydrodynamic influence on the tense gas-saturated rock mass through the borehole with the extraction of coal and gas and formation at the expense of secondary porosity in the processed area. 2012 Article Феноменологическая модель перераспределения напряжений в зоне обработки горного массива гидродинамическим воздействием / В.И. Гаврилов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 105. — С. 26-32. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54282 622.831.001.572:532.51 ru Геотехническая механика 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	Стаття представляє концепцію механізму перерозподілу напруги при гідродинамічній дії на напружений газонасичений гірський масив через свердловину з витяганням вугілля і газу і створення за рахунок цього вторинної пористості в оброблюваній дією зоні.
format	Article
author	Гаврилов, В.И.
spellingShingle	Гаврилов, В.И. Феноменологическая модель перераспределения напряжений в зоне обработки горного массива гидродинамическим воздействием Геотехническая механика
author_facet	Гаврилов, В.И.
author_sort	Гаврилов, В.И.
title	Феноменологическая модель перераспределения напряжений в зоне обработки горного массива гидродинамическим воздействием
title_short	Феноменологическая модель перераспределения напряжений в зоне обработки горного массива гидродинамическим воздействием
title_full	Феноменологическая модель перераспределения напряжений в зоне обработки горного массива гидродинамическим воздействием
title_fullStr	Феноменологическая модель перераспределения напряжений в зоне обработки горного массива гидродинамическим воздействием
title_full_unstemmed	Феноменологическая модель перераспределения напряжений в зоне обработки горного массива гидродинамическим воздействием
title_sort	феноменологическая модель перераспределения напряжений в зоне обработки горного массива гидродинамическим воздействием
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate	2012
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54282
citation_txt	Феноменологическая модель перераспределения напряжений в зоне обработки горного массива гидродинамическим воздействием / В.И. Гаврилов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 105. — С. 26-32. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Геотехническая механика
work_keys_str_mv	AT gavrilovvi fenomenologičeskaâmodelʹpereraspredeleniânaprâženijvzoneobrabotkigornogomassivagidrodinamičeskimvozdejstviem
first_indexed	2025-07-05T05:38:35Z
last_indexed	2025-07-05T05:38:35Z
_version_	1836784199408812032
fulltext	26 УДК 622.831.001.572:532.51 Канд. техн. наук В.И. Гаврилов (ИГТМ НАН Украины) ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ЗОНЕ ОБРАБОТКИ ГОРНОГО МАССИВА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ Стаття представляє концепцію механізму перерозподілу напруги при гідродинамічній дії на напружений газонасичений гірський масив через свердловину з витяганням вугілля і газу і створення за рахунок цього вторинної пористості в оброблюваній дією зоні. PHENOMENOLOGICAL MODEL OF THE STRESS REDISTRIBUTION IN THE PROCESSING ZONE OF ROCK MASS HYDRODYNAMIC INFLUENCE The article introduces the concept of the mechanism of stress redistribution under hydrodynam- ic influence on the tense gas-saturated rock mass through the borehole with the extraction of coal and gas and formation at the expense of secondary porosity in the processed area. Известны различные теории перераспределения напряжений вокруг выра- боток в горном массиве, но до настоящего времени нет однозначной концепции его самоорганизации, как природного явления. Предлагаемая концепция базируется на законе сохранения энергии и учиты- вает энергию сжатой породы в процессе перераспределения напряжений в зоне обработки горного массива гидродинамическим воздействием при образовании в ней вторичной пористости и не высвободившуюся энергию сжатой породы, стремящуюся восстановить свой объем вокруг зоны образования вторичной по- ристости. Результаты исследований взаимодействия гидродинамического воздействия с напряженным газонасыщенным массивом, проведенных ИГТМ НАН Украи- ны на шахтах Донбасса, явились основой научных открытий №123, №184 и №228 [1-3]. При подаче воды в скважину под давлением она, проникая по трещинам разгруженной зоны, создает объемное давление на каждый фрагмент породы и, в определенной степени, выравнивает напряжения в ней вплоть до зоны опор- ного давления и создает волну давления (нагрузки). При сбросе давления воды в скважине она за счет разности давления филь- трует в направлении центра скважины, увлекая за собой фрагменты угля, кото- рые образовались за счет резкого сброса давления. В зоне опорного давления за счет обратной волны разгрузки происходит дезинтеграция угля по типу образо- вания разгруженной зоны вокруг скважины. Таким образом, после сброса давления воды в скважине она увлекает за со- бой фрагменты угля, а разрушенные фрагменты заполняют пространство выне- сенных и происходит поочередное смещение их к центру скважины, зона раз- грузки расширяется, а зона опорного давления отодвигается вглубь массива. При повторных циклах уголь в скважине постоянно дезинтегрируется и пос- тепенно заполняет мелкоизмельченным углем значительный объем простран- 27 ства без образования открытой полости в горном массиве из-за постоянного процесса замещения объема извлеченного угля вновь разрушенным. Нетронутый горный массив находится в состоянии гидростатического сжа- тия, т. е. горное давление всесторонне сжимает породу в пределах ее упругих деформаций по координатам X, Y, Z. При бурении скважины и при образова- нии дополнительной пористости пород при ГДВ, сжатая горная порода вокруг них стремится разжаться. Согласно физической теории твердого тела [4] это расширение горной поро- ды центростремительное и направлено к геометрическому центру окружности, описанной вокруг зоны ослабления напряжений, а в объемном представлении – к геометрическому центру шара. Центростремительное расширение горной породы к геометрическому цен- тру окружности, описанной вокруг скважины и зоны ослабления напряжений вызывает сжатие горной породы по концентрическим окружностям вокруг зон ослабления напряжений. Этот процесс сжатия горной породы можно пред- ставить в виде самосжимающихся радиусных клиньев центростремительно рас- ширяющейся горной породы (рис. 1). 1 – зона отсутствия касательных напряжений (зона отжима); 2 – зона низких касательных напряжений и упругих деформаций (зона частичной раз- грузки); 3 – зона высоких касательных напряжений и высокой жесткости массива. Рис. 1 – Модель перераспределения напряжений в зоне обработки горного массива 28 Увеличение напряжений сжатия горной породы в каждой последующей концентрической зоне растет, что увеличивает ее жесткость и несущую способ- ность. Зона 3 достигнет максимальной несущей способности когда горная поро- да в ней достигнет абсолютной жесткости, достаточной для изоляции обрабо- танной зоны 2 от притока энергии из глубины напряженного горного массива. Таким образом, процесс перераспределения энергии остановится и образуется относительно равновесная трехзонная подсистема. Зона 3 с максимальным кольцевым напряжением и высокой жесткостью яв- ляется защитной оболочкой для зон 2 и 1. Кольцевое напряжение горной породы в зоне 3 должно быть σ3 = σ0 + σп, т/м 2 (1) где σ3 – кольцевое максимальное напряжение горной породы в третьей зоне вы- сокой жесткости, т/м 2 ; σ0 – начальное напряжение в нетронутом горном масси- ве, т/м 2 ; σп – напряжение от кинетической энергии горной породы первой и второй зон, т/м 2 . Первичное напряжение горной породы в зоне 1 передается горной породе зоны 3 в период образования зоны 2. В результате остальная краевая горная по- рода, находящаяся внутри описывающей эту зону 1 окружности, не имеет коль- цевых напряжений и не может их иметь, потому что в площади ее располо- жения нет целых колец из горной породы, так как она разгружена из-за выхода угля и газа и образования дополнительного объема пористости. Горная порода внутри окружности, описывающей зону 1, и есть зона отсут- ствия кольцевых напряжений и пластических деформаций. Радиус окружности, описывающей зону 1 – R1. Тогда ширина зоны 1 будет равна М1 = R1 – Rc, м (2) где Rc – радиус скважины, м. Горная порода, расположенная между 1 и 3 зонами, находится в зоне 2 – зоне упругих деформаций и низких кольцевых напряжений, напряжение кото- рой передается третьей зоне. Радиус окружности, описывающей зону 2 – R2. Тогда ширина зоны 2 будет М2 = R2 – R1, м (3) Аналогично для зоны 3 М3 = R3 – R2, м (4) Для определения количества извлекаемого из скважины угля при достиже- 29 нии необходимой вторичной пористости, обеспечивающей эффективную дега- зацию и перераспределение горного давления в зоне ведения горных работ до безопасной величины из закона Бойля-Мариотта получаем Р0V0 = P1V1 = P2V2, т∙м (5) Если Р0 – атмосферное давление, т/м 2 ; V0 – объем пор при давлении Р0 и m0 – пористость угля при этом давлении; Р1 – давление γН (γ – объемный вес пород, т/м 3 ); V1 – объем пор при давлении Р1 и m1 - пористость угля при этом давле- нии; Р2 = kγH = kP1; V2 – объем пор при давлении Р2 и m2 - пористость угля при этом давлении, тогда можно записать Р0m0 = P1m1 = P2m2, кН/м 2 Из Р0m0 = P1m1 получим m1 = 1 00 P mP Из P1m1 = P2m2 получим m2 = 2 11 P mP = 1 11 kP mP = k m1 (6) Для разгрузки угольного пласта в обрабатываемой зоне радиусом Rэф необ- ходимо снизить горное давление в ней с Р2 до Р1 и, следовательно, увеличить пористость угля с m2 до m1 на величину Δm (см. рис. 1). При этом необходимо извлечь объем угля равный объему пор соответствующему увеличению порис- тости на Δm. Если принять глубину ведения очистных работ Н = 1000 м, атмосферное давление Р0 = 1 атм = 1 кг/см 2 = 10 т/м 2 , пористость угля m0 = 0,05 (5%) и коэф- фициент концентрации напряжений k = 1,2 тогда в зоне 2 необходимо увели- чить пористость угля по сравнению с его значением при давлении Р0 на m1 = 1 00 P mP = 250 05,010  = 0,002, а в зоне 3 на m2 = k m1 = 2,1 002,0 = 0,0017 Полученные значения увеличения пористости угля в зонах 1 и 2 по своей су- ти есть статистический геотехнологический коэффициент влияния гидродина- мического воздействия на разгрузку угольного пласта от горного давления kс, который определяет необходимую долю извлечения угля из обрабатываемой зоны для обеспечения эффективной разгрузки пласта [5]. 30 Высокая динамика воздействия при сбросе рабочей жидкости из скважины приводит к быстрому изменению газового и механического равновесия в мас- сиве и способствует развитию управляемого газодинамического явления. При этом наблюдается быстрое нарастание в выбрасываемой суспензии содержания твердой фазы с одновременным уменьшением его крупности вплоть до образо- вания смеси угольной пыли с газом вылетающей из скважины с высокой ско- ростью. При закрывании задвижки происходит мгновенный подъем давления за счет давления газа, что исключает дополнительную подачу воды в скважину. Изменение структуры угля происходит следующим образом (рис. 2). Рис. 2 - Изменение содержания твердой фазы в суспензии при гидродинамическом воздействии через подземные скважины Во время первых 5-10 циклов воздействия осуществляется фильтрация чис- той воды через поры и трещины прискважинной зоны пласта. Вода смачивает обнаженные поверхности, проникая внутрь трещиновато-пористой структуры. На этой стадии Т/Ж = 0. Далее происходит образование связанной воды в порах и капиллярах угля с последующим послойным отрывом заполненного водой слоя и выход из сква- жины суспензии с Т/Ж  0,05 с содержанием твердой фазы класса 5,0–7,0 и 7,0- 10,0 порядка 4,0-5,0 %. Процесс дальнейшего изменения содержания твердой фазы в суспензии и свойств угольного пласта и рабочей жидкости зависит от режимных пара- метров гидродинамического воздействия. Таким образом, в результате гидродинамического воздействия на угольный массив разрушенный уголь образует на обработанной площади зоны, содержа- щие частицы угля различного гранулометрического состава. Расположение этих зон показано на феноменологической модели гидродинамического разру- шения угля на рис. 3. 31 RII - зона разрушения угля до мелких фракций; RIIII - то же до фракций средней величины; RIIIIII - то же до фракций крупной величины; RIVIV - зона с открытыми трещинами; V - зона с закрытыми трещинами Рис. 3 - Схема гидродинамического разрушения угля вокруг скважины Для оценки степени разрушения угля в обработанной гидродинамическим воздействием зоне проведен ситовый анализ угля из пластов l7 – «Пугачевка» и k8 – «Каменка». Данные анализа представлены в таблице 1. Таблица 1 – Ситовый анализ угля и границы распространения фракций различных классов в обработанной зоне Пласт Классы, мм Выход фракций Радиус распро- странения Ri, м Г % l7 – «Пугачевка» >10 34 1,7 0,4 7,0-10,0 47 2,4 0,6 2,0-7,0 240 12,0 3,0 0,5-2,0 423 21,2 5,3 <0,5 1250 62,7 15,7 k8 – «Каменка» >10 27 2,5 0,6 7,0-10,0 39 3,6 0,9 2,0-7,0 165 15,3 3,8 0,5-2,0 215 20,0 5,0 <0,5 632 58,6 14,7 Из таблицы 1 видно, что дезинтегрированный уголь в зоне представлен в ос- новном фракциями классов до 0,5 и 0,5-2,0 мм (83,9%). Из приведенных данных следует еще один вывод: природная газоносность 32 угольных пластов оказывает влияние на выход фракций различных классов: с ростом природной газоносности пласта увеличивается выход угля низких клас- сов. По данным ситового состава углей были определены размеры зон дезинтег- рированного угля вокруг технологической скважины с учетом конечной вели- чины радиуса эффективного влияния гидродинамического воздействия. Для не- которых выбросоопасных угольных пластов они составили: l7 – «Пугачевка» lI = 19,9 м lII = 5,7 м lIII = 1,4 м k8 – «Каменка» lI = 17,9 м lII = 6,9 м lIII = 2,2 м l5 – «Соленый» lI = 15,1 м lII = 9,6 м lIII = 2,3 м l1 – «Мазур» lI = 18,1 м lII = 7,4 м lIII = 1,5 м Согласно феноменологической модели гидродинамического воздействия на угольный массив образуются несколько зон различного фракционного состава, имеющим осредненную ширину: - зона разрушения угля до мелких фракций – 17,8 м; - зона разрушения угля до фракций средней величины – 7,4 м; - зона разрушения угля до крупных фракций – 1,8 м. Таким образом, феноменологическая модель перераспределения напряже- ний вокруг зоны обработки горного массива гидродинамическим воздействием показывает на какую величину необходимо увеличить пористость пласта для обеспечения его эфективной разгрузки, также дает возможность определить границы распространения дезинтегрированного угля различных фракций в объ- еме обработанной зоны. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Научное открытие «Закономерность разрушения пористых газонасыщенных тел при циклическом гидро- динамическом воздействии» / Е.Г. Барадулин, К.К. Софийский, Е.А. Воробьев [и др.] // Сб. «Научные откры- тия». – М. – С.П., 2002. - №123. 128 с. 2. Научное открытие «Явление спонтанного разрушения напряженного пористого газонасыщенного масси- ва» / Е.Г. Барадулин, Е.А. Воробьев, К.К. Софийский [и др.] // Сб. «Научные открытия». – М., 2002. - №184. 128 с. 3. Научное открытие «Явление возникновения циклической динамической пригрузки угольного пласта при его циклическом гидродинамическом нагружении» / Д.М. Житленок, А.В. Аксенов, Е.Г. Барадулин [и др.] // Сб. науч. откр. ученых Украины. – К.: Ин-т гос. и права им. В.М. Корецкого НАНУ, 2004. - №228. – С.77-78. 4. Макушок Е.М. Механика твердого деформируемого тела, учитывающая элементы самоорганизации де- формационного процесса / Е.М. Макушок // Металургия. – 1999. - №24. – С.103-104. 5. Пат. №58316 України, МПК Е21F7/00. Спосіб визначення ефективних параметрів дегазації і розванта- ження вугільного пласта гідродинамічною дією / К.К. Софійський, Д.М. Житльонок, Є.Г. Барадулін, О.В. Мос- ковський, О.П. Петух, В.І. Гаврилов, В.В. Власенко (Україна). - u2010 11020; заявл. 13.09.2010; опубл. 11.04.2011; Пріоритет від 13.09.2010; Бюл. № 7. – 3 с. 33 УДК 622.333:532.5 Инженер С.А. Головко (ИГТМ НАН Украины) НАГНЕТАНИЕ ЖИДКОСТИ В ТРЕЩИНОВАТО-ПОРИСТУЮ СРЕДУ С УЧЕТОМ ИЗМЕНЕНИЯ ЕЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ Отримано рівняння, що описують фільтрацію в напруженої трещиновато-пористому се- редовищу з кінцевим числом напрямків орієнтації тріщин. Проведено аналіз отриманих рівнянь та відповідність їх, виходячи з конкретних умов нагнітання, відомим раніше рівнян- ням фільтрації INFUSION OF LIQUID INTO CRACKS-POROUS ENVIRONMENT TAKING INTO ACCOUNT CHANGE OF ITS TENSE STATE The equations circumscribing a filtration in a tight cracks-porous environment with final num- ber of directions of orientation of cracks are obtained. The analysis of the obtained equations and conformity them is conducted, outgoing from concrete conditions of pressure known earlier equa- tions of a filtration Известно, что водопроницаемость геологических образований, и в частно- сти углей, в большой мере зависит от напряженного состояния. При этом, так как напорная фильтрация, в основном, происходит по макропорам, наиболее крупными из которых являются трещины, то становится очевидным, что для правильного описания процесса необходимо строго учитывать пространствен- ную ориентацию трещин в поле действия напряжений. Однако известные моде- ли нагнетания либо вообще не учитывают влияние напряжений, либо содержат зависимости коэффициента проницаемости от первого инварианта тензора напряжений [1, 2, 3], что приемлемо лишь при равновероятной ориентации трещин, и вряд ли допустимо для углей, где наблюдается ярко выраженная по- слойная ориентация эндогенных трещин. Для описания нагнетания жидкости в угольный пласт будем использовать модель трещиновато-пористой среды, то есть принимать материал как совокуп- ность двух вложенных одна в другую пористых сред, обладающих своими соб- ственными фильтрационными характеристиками и обменивающимися между собой массой жидкости. При этом для одной из пористых сред предполагаются существенно более высокие значения проницаемости (трещины), а для другой – пористости (блоки). Деформации материала считаем упругими, фильтрацию – линейной (закон Дарси), зависимость плотности жидкости от давления также линейной, а вязкость жидкости – постоянной. Следуя [4], будем рассматривать наполненный жидкостью трещиновато- пористый материал как композит, состоящий из пористой матрицы и распреде- ленных в ней трещин. Пористая матрица, в свою очередь, вновь рассматривает- ся как композит, состоящий из твердого каркаса и наполненных жидкостью пор. Тогда компоненты тензора напряжений в материале можно представить в виде:    1 1 1 11 ,ij ij ijm m P     (1)

Феноменологическая модель перераспределения напряжений в зоне обработки горного массива гидродинамическим воздействием

Репозитарії

Схожі ресурси