Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка и обоснование метода прогноза газодинамических явлений в подготовительных выработках с учетом газогидратов в угольных пластах

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Разработка и обоснование метода прогноза газодинамических явлений в подготовительных выработках с учетом газогидратов в угольных пластах"

На правах рукописи

КИМ Татьяна Леонидовна

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ПРОГНОЗА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ С УЧЕТОМ ГАЗОГИДРАТОВ В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ОКГ 2014

005553000

Кемерово 2014

005553000

Работа выполнена на кафедре физики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева»

Научный руководитель Дырдин Валерий Васильевич,

доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева», зав. кафедрой

Официальные оппоненты Полевщиков Геннадий Яковлевич,

доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук,зав. лабораторией

Малинникова Ольга Николаевна, доктор технических наук, Учреждение Российской академии наук Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук, зав. лабораторией

Ведущая организация Открытое акционерное общество «Научный центр

Восточный научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности»

Защита диссертации состоится «30» октября 2014г. в 15.00 ч. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.102.02 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28, факс (384-2) 58-33-80, e-mail: rector@kuzstu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева» и на сайте организации по адресу http://www. kuzs-tu.ru//science/index.php?action=info_cand_deg

Автореферат разослан « ¿6» сентября 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Иванов В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Темпы роста добычи угля в России подземным способом постоянно увеличиваются. К 2020 г. прогнозируемая добыча может составить около 380 млн. т угля. В 2012 г. в Кузбассе добыто 201,4 млн. т угля. По состоянию на 01.09.2013 г. в Кемеровской области функционировало 120 угледобывающих предприятий (63 шахты и 57 разрезов). Кемеровская область поставляет уголь внутри страны в 76 из 88 регионов и на экспорт - в 48 стран. В настоящее время более 30 шахт России ведут горные работы ниже критической по газодинамическим явлениям (ГДЯ) глубины. При подземной разработке угольных месторождений в призабойное пространство очистных и подготовительных выработок выделяется метан, который разбавляется свежей струей воздуха до безопасных концентраций. С увеличением глубины ведения горных работ количество ГДЯ увеличивается. Существующие методы прогноза и предупреждения ГДЯ дают большой запас «прочности», не учитывают дополнительный объем газа, выделяющийся при ГДЯ, происходящих нерегулярно и не на всех участках шахтного поля. Это связано с дополнительными факторами, которые до сих пор не учитывались ни при разработке теории ГДЯ, ни при разработке методов их предупреждения.

Одной из причин выделения добавочного количества газа является разложение твердого углегазового раствора (ТУГР) по типу газогидратов в угольных пластах. Это приводит к нарушению равновесия активных и пассивных сил в краевой зоне и формированию различных ГДЯ.

В угольных пластах в зависимости от давления и температуры природный газ может находиться в различных состояниях: свободном, сорбированном и в виде твердого углегазового раствора природного газа по типу газогидратов. Фазовые переходы газа из твердой фазы в свободную и обратно возможны при условии, что термодинамические параметры больше или меньше равновесных.

Газовые гидраты - соединения включения, в которых молекулы метана встраиваются в каркас, построенный из молекул воды. При диссоциации ТУГР по типу газогидратов выделяется дополнительный объем газа, влияющий на формирование различных видов ГДЯ. В этой связи научная задача, направленная на установление необходимых параметров образования ТУГР по типу газогидратов в угольных пластах, закономерностей их диссоциации и их влияния на формирование различных видов ГДЯ в краевых зонах угольных пластов, является актуальной.

Диссертационная работа выполнена по гранту фонда Михаила Прохорова - 2013 г., а также по внутривузовскому гранту для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов в КузГТУ — 2014 г. и гранту «СУЭК -Кузбасс» и отражает результаты исследований, выполненных в Кузбасском государственном техническом университете в период с 2009-2014 г. и в Институте неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН в 2012 г.

Объектом исследования являются краевые зоны угольных пластов.

Предметом исследования являются процессы образования и диссоциации ТУГР по типу газогидратов в краевых зонах угольных пластов и их влияние на проявление ГДЯ.

Целью работы является разработка и обоснование метода прогноза ГДЯ в подготовительных выработках с учетом ТУГР по типу газогидратов в угольных пластах.

Идея работы заключается в использовании зависимости динамики нарастания газового давления от скорости диссоциации ТУГР по типу газогидратов, их распределения и размеров в краевой зоне угольного пласта, приводящего к формированию различных видов ГДЯ.

Задачи исследования:

1. Установить термодинамические условия образования ТУГР по типу газогидратов, их размеры и распределение в угольной матрице.

2. Разработать математические модели процесса диссоциации ТУГР по типу газогидратов для расчета скорости диссоциации и подвигания границы разложения в зависимости от размеров кристаллогидратов и распределения в угольной матрице.

3. Установить зависимость давления свободного газа при диссоциации ТУГР по типу газогидратов от гидратонасыщенности и с учетом коэффициента проницаемости краевой зоны угольного пласта.

4. Определить условия, при которых формируются внезапные выбросы угля и газа или загазирования выработок, с учетом зон, содержащих ТУГР по типу газогидратов в краевой зоне угольного пласта.

Методы исследований. Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя анализ и обобщение производственных данных о газодинамических явлениях, теоретические исследования, обзор и анализ литературы по теме исследования, лабораторные эксперименты, статистические методы обработки экспериментальных данных, сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными, численные и аналитические методы математического моделирования.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. ТУГР по типу газовых гидратов образуются в угольной матрице при превышении температуры и давления значений, определяемых равновесной кривой, и влажности 1,5% и более, при этом ТУГР по типу газогидратов образуются в поровых каналах и распределены кристаллами по всему объему угля, где поддерживаются данные параметры.

2. Скорость диссоциации ТУГР по типу газогидратов для частиц размером от 4 до 10 нм составляет 4-28 нм/мс и убывает по экспоненте с увеличением их диаметра, а скорость подвигания границы диссоциации газогидрата увеличивается с 2,0 до 6,0 м/с с ростом газового давления в диапазоне от 2 до 8 МПа и соответствует скорости распространения волны дробления.

3. Давление свободного газа в краевой зоне угольного пласта при диссоциации ТУГР по типу газогидратов увеличивается в 2-2,5 раза при гидратонасыщенности от 1,9 до 5,2% и минимальной проницаемости массива 0,015 Дарси.

4. Вид ГДЯ зависит от критического значения коэффициента проницаемости краевой зоны, который для различных условий и свойств угольных пластов составляет 0,001Дарси < кщ,< 0,01 Дарси: при к, превышающем критическое значение для данного угольного пласта, происходит загазирование выработки, а при к<кхр — формирование выбросоопасной ситуации. Научная новизна работы заключается:

1. В установлении термодинамических параметров и минимальной влажности, необходимой для образования ТУГР по типу газогидратов, и их распределения по объему угольной матрицы.

2. В определении скорости диссоциации ТУГР по типу газогидратов в зависимости от размера частиц, а также в установлении соответствия между скоростью подвигания границы диссоциации ТУГР по типу газогидратов и скоростью распространения волны дробления.

3. В разработке математических моделей распределения газового давления в краевой зоне угольного пласта после начала процесса диссоциации ТУГР по типу газогидратов с учетом переменного коэффициента проницаемости краевой зоны угольного пласта.

4. В определении критического значения проницаемости краевой зоны угольного пласта для определения вида ГДЯ (внезапный выброс или загазирование выработки) с учетом зон, содержащих ТУГР по типу газогидратов.

Отличие от ранее выполненных работ заключается в том, что определены минимальная влажность и термодинамические условия образования ТУГР по типу газогидратов в поровых каналах угольной матрицы; определена скорость диссоциации ТУГР по типу газогидратов в зависимости от размеров частиц и установлено соответствие между скоростями подвигания границы разложения и волны дробления; установлена зависимость давления свободного газа при диссоциации ТУГР по типу газогидратов от величины коэффициента проницаемости и шдратонасыщенности; разработана методика определения участков угольного пласта, содержащих ТУГР по типу газогидратов, основанная на измерении УЭС и скорости упругих волн. Достоверность научных положений н выводов подтверждается: корректностью математической постановки задачи и применения численных методов; применением основных положений классической термодинамики, механики сплошных сред и методов статистической обработки экспериментальных данных; сходимостью (90-95) % результатов лабораторных исследований с данными других авторов.

Личный вклад автора заключается: в постановке задач, обработке и анализе результатов теоретических и лабораторных исследований, направленных на выявление влияния диссоциации газовых гидратов на формирование ГДЯ в угольных пластах; в разработке программ для ЭВМ по расчету показателя вы-бросоопасности угольных пластов и вида ГДЯ; в разработке математической модели для установления зависимости давления газа в краевой зоне угольного пласта от количества газа, выделяющегося при диссоциации газовых гидратов; в проведении комплекса лабораторных измерений, удельного электрического сопротивления и скорости упругих волн в угольной матрице (КузГТУ), содержа-

щих ТУГР по типу газогидратов, а также в определении термодинамических параметров образования ТУГР по типу газогидратов в угольной матрице (Институт неорганической химии имени А. В. Николаева СО РАН, г. Новосибирск); в разработке методики прогноза ГДЯ при проведении подготовительных выработок с учетом ТУГР по типу газогидратов.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей образования и диссоциации ТУГР по типу газогидратов в угольной матрице, расширяющих наши представления о газодинамических процессах в краевых зонах массива при подземной разработке угольных пластов и наличии газогидратов.

Практическое значение работы заключается в разработке методики прогноза ГДЯ при проведении подготовительных выработок с учетом ТУГР по типу газогидратов, позволяющей разработать мероприятия по их предотвращению и повысить безопасность горных работ.

Реализация работы. Результаты данной работы применены на шахте «Первомайская» по пласту XXIV, при прогнозе зон, опасных по ГДЯ при проведении подготовительных выработок и вошли в «Методическое руководство по прогнозу зон, потенциально опасных по ГДЯ, при проведении подготовительных выработок с учетом газогидратов природного газа», согласованного с НЦ Вос-тНИИ, по заявке № 2013-134-695 02.06.2014 г. принято положительное решение о выдаче патента на изобретение «Способ определения выбросоопасных зон в угольных пластах», а также результаты работы используются при чтении лекций по курсу «Теплотехника» в Кузбасском государственном техническом университете имени Т. Ф. Горбачева.

Апробация работы. Основные положения и выводы работы в период ее выполнения докладывались и обсуждались на III Всероссийской, 56 научно-практической конференции студентов, аспирантов, докторантов и преподавателей «Россия Молодая» (11-15 апреля 2011 г., Кемерово, КузГТУ); Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Химическая физика и актуальные проблемы энергетики» (4-6 сентября 2012 г., Томск, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, энергетический институт); XIV Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности» (18-21 сентября 2012 г., Кемерово, Министерство энергетики РФ); IX Международной научно - практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (1-2 ноября 2012 г., Кемерово, КузГТУ); IV Всероссийской, 57 научно-практической конференции молодых ученых «Россия Молодая» (24-27 апреля 2012 г., Кемерово, КузГТУ); Материалах IX Международной научно-практической конференции «Доклады научных идей-2013». - 2013. - Прага: Наука и образование. - С. 65 - 69.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 научных работ, в том числе 6 - в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержит 118 страниц текста, 29 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 101 наименования.

Автор благодарен своему научному руководителю д.т.н., проф. В. В. Дырдину за активную помощь, консультирование и требовательность; выражает благодарность д.х.н. А. Ю. Манакову за предоставленную возможность проведения экспериментальных исследований в лаборатории клатратной химии, а также Д.т.н., проф. А. А. Ли, д.т.н., проф. В. И. Мурашеву и к.т.н., зав. лаб. газодинамических явлений П. В. Потапову за обсуждение результатов диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе описывается состояние изученности вопроса, а именно рассмотрены газодинамические явления в подготовительных выработках при подземной разработке угольных пластов. Рассматриваются основные факторы, влияющие на загазирование выработок и формирование выбросоопасной ситуации. Основные модели и методы прогноза газодинамических процессов и влияние твердого углегазового раствора природного газа по типу газогидратов на газодинамическую активность угольных пластов.

При подземной разработке угольных пластов в ряде случаев происходят газодинамические явления: загазирование выработок и внезапные выбросы угля и газа.

Изучение газодинамических явлений продолжается на протяжении многих лет. Такие ученые, как А. Т. Айруни, А. Д. Алексеев, М. С. Анциферов, И. В. Бобров, Ю. Ф. Васючков, В. Н. Захаров, А. Н. Зорин, Б. М. Иванов, М. А. Иофис, С. В. Кузнецов, Г. Д. Лидин, А. М. Линьков, О. Н. Малинникова,

B. И. Мурашев, В. Н. Николин, Г. Я. Полевщиков, В. Н. Пузырев, А. Э. Петро-сян, И. М. Петухов, А. Д. Рубан, А. А. Скочинский, К. Н. Трубецкой, Г. Н. Фейт, В. Н. Фрянов, В. В. Ходот, С. А. Христианович, О. И. Чернов,

C. Е. Чирков, И. Л. Эттингер, М. Ф. Яновская, и др. внесли существенный вклад в решение проблем прогноза и борьбы с газодинамическими явлениями.

Проблема прогнозирования и предупреждения газодинамических явлений остается одной из самых сложных проблем по обеспечению безопасности горных работ в подготовительных выработках шахт.

Условия возникновения и формы проявления газодинамических явлений весьма разнообразны, в ряде случаев процессы, сопутствующие внезапным выбросам, развиваются в диаметрально противоположных направлениях. Проявление внезапных выбросов угля и газа в большинстве случаев определяется тремя факторами: а) фактором горного давления; б) газовым фактором; в) прочностными свойствами пласта.

Существующими методами прогноза ГДЯ в краевых зонах угольных пластов до настоящего времени не учитывалась роль газогидратов природного газа, при диссоциации которых происходит выделение больших объемов свободного газа, который, возможно, в большей степени влияет на формирование ГДЯ. Вы-бросоопасная ситуация создается при определенном сочетании геомеханических и газодинамических процессов.

Процессы образования ТУГР по типу газогидратов в угольных пластах определяются наличием влаги и определенным соотношением давления и температуры системы. Значения данных параметров, соответствующие фазовому переходу, определяются равновесными значениями (В. А. Истомин, В. С. Якушев), представленными на рис. 1.

а Владимировский, шахта «Северная» о Кемеровский, им. Волкова а Андреевский, Судженская » Андреевский, шахта «Анжерская» * XXVII, «Березовская» ■¿г XXVII, «Первомайская»

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 температура,°С

Рис. 1. Термобарические условия угольных пластов Кузбасса в проекции на равновесную кривую фазового состояния системы уголь - метан - вода

При резком падении напряжений, происходящем при разрушении части угольного пласта или при попадании выработки в зону угольного пласта с низкими прочностными свойствами, в слое угля, лежащем впереди забоя выработки, под действием растягивающих напряжений могут образовываться трещины в плоскостях, ортогональных направлению наименьшего сжатия, т. е. параллельно поверхности забоя выработки. Прорастание мелких трещин вызывает падение газового давления в них до значений ниже давления равновесного состояния системы уголь - поровая влага - ТУГР. Вследствие этого, начинаются два процесса: десорбция газа с поверхности макропор и трещин, а также диссоциация ТУГР по типу газогидратов, которые, в свою очередь, приводят к выделению дополнительных объемов газа и перераспределению его давления в краевой зоне и формированию выбросоопасной ситуации или интенсивной фильтрации газа в сторону забоя выработки и ее дальнейшее загазирование в зависимости от коэффициента проницаемости на границе зоны неупругих и упругих деформаций. Таким образом, научная задача разработки и обоснования метода прогноза газодинамических явлений в подготовительных выработках с учетом ТУГР по типу газогидратов является актуальной.

Исходя из изученных материалов и анализа литературы по данной теме исследования, были сформулированы цель и поставлены задачи, которые приведены в общей характеристике работы.

Вторая глава посвящена исследованию процессов образования ТУГР по типу газогидратов в угольной матрице при достижении определенных значений термодинамических параметров и установлению минимального значения влажности угля.

В настоящее время до конца не решены вопросы, связанные с формами связи метана с угольной матрицей, а также неясно происхождение больших объ-

емов газа при внезапных выбросах, превышающих объемы, обусловленные природной газоносностью угольных пластов. В «свободном» состоянии в поровом пространстве пласта и адсорбированном состоянии газа находится значительно меньше, чем фиксируется при внезапных выбросах. Возникает вопрос о возможности существования иной формы связи молекул газа с угольной матрицей, кроме адсорбционной. Изучена возможность образования в угле газового гидрата метана и оценена возможная роль газогидратов в формировании выбросоопас-ных ситуаций и внезапных выбросов.

Первым этапом исследований стало изучение влияния термобарических условий и минимальной влажности угля на процессы образования в поровом пространстве каменного угля размерами от 30 до 250 нм твердых углегазовых растворов природного газа по типу газовых гидратов.

Были проведены исследования в Институте неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН в лаборатории клатратных соединений на установке по изучению ТУГР по типу газогидратов в трехфазной системе: «уголь - газ - вода». Данная установка дает возможность осуществлять автоматический сбор измеряемых параметров, таких как давление и температура. Схема установки приведена на рис. 2, также в ее состав входит пакет программного обеспечения (Mit 8.0) и ноутбук.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - программируемый термостат; 2 - автоклав с углем и метаном;

3 — газовый кран; 4 и 5 - датчики температуры и давления;

6 - измерительное устройство (типа тк8); 7 - самописец (ПК)

В ходе эксперимента использовали уголь марки «К», отобранный из опасного по внезапным выбросам пласта XXVI ш. «Березовская», глубина залегания около 400 м. Отбирались фракции 1-^2 мм, которые хранились в инертном газе (гелий). Образцы угля насыщались до влажности от 1 до 4 % в течение нескольких дней, но только при минимальной влажности 1,5-1,7% и превышении термобарических параметров Р и Т в системе равновесных значений начинали образовываться ТУГР по типу газогидратов.

Эксперимент проводился при температуре от -25 °С до +25 °С в прямом и обратном направлении (рис. 3). В общем случае наблюдается возрастание и падение давления около точки фазового перехода 7 °С и 5,0 МПа, соответственно виден характерный скачок давления, вызванный разложением газогидратов метана в угольных порах.

Рис. 3. Зависимости давления газа в автоклаве с угольным образцом с течением времени при равномерном повышении температуры а) и при ее циклическом изменении б)

В природных условиях пористость выбросоопасных углей составляет не более 5 %, а объем газовой фазы примерно в 20 раз меньше объема угля, соответственно влияние диссоциации газогидратов на давление в угольных порах может быть значительным. В условиях эксперимента свободный объем автоклава составлял 55,13-Ш^м3 , объем, занимаемый угольным веществом внутри автоклава, был порядка 40-Ю^м3 .

На рис. 4 положительные значения относительного изменения давления и температуры соответствуют росту этих величин, а отрицательные - уменьшению. Видны характерные пики как при разложении (положительный пик давления), так и при образовании газогидратов (отрицательный пик).

Другие эксперименты, проведенные нами, дали похожие пиковые выходы газа от разложения и образования ТУГР по типу газогидратов.

—¿р/р

—ар/р среди

ат/т

• - ¿Т/Т среди

Рис. 4. Относительное изменение давления и температуры

Таким образом, экспериментально было доказано, что образование твердых растворов природного газа в угольных порах может происходить при превышении термодинамических параметров Р и Т в системе значений, соответствующих равновесной кривой, и минимальной влажности 1,5-1,7 %, характерной для естественной влажности угольных пластов, опасных по ГДЯ, и при этом ТУГР по типу газогидратов образуются в поровых каналах и распределены за счет свободной части влаги кристаллами по всему объему угля.

В соответствии с этим была поставлена задача по определению скорости диссоциации ТУГР по типу газогидратов от их размеров и распределения.

В третьей главе представлено решение задачи по установлению скорости диссоциации ТУГР по типу газогидратов в угольной матрице в зависимости от размеров (диаметра) частиц, а также рассчитана скорость подвигания границы разложения ТУГР по типу газогидратов и скорость волны дробления по акад. А. С. Христиановичу.

Будем полагать, что под действием технологических или горногеологических факторов (механических напряжений и газового давления) в системе угольный пласт - влага - газ - газогидрат давление в системе может уменьшиться до значения, меньше равновесного для определенной температуры. Вследствие этого начнется процесс диссоциации ТУГР по типу газогидратов. При образовании газогидратов выделяется «скрытая» теплота, величина которой составляет порядка 533 кДж/моль. Процесс диссоциации ТУГР по типу газогидратов, происходящий в угольном пласте, можно считать адиабатным. Теплота, необходимая для разложения газогидратов, будет поступать за счет уменьшения энергии Гельмгольца, т. е. за счет уменьшения свободной части внутренней энергии системы. В результате температура участка пласта, содержащего газогидраты, будет уменьшаться. Определим скорость диссоциации, т. е. определим, как быстро разлагается на газ и воду газогидратная частица, размер которой соответствует размерам пор в структуре каменного угля. Пусть Т - текущая температура угольного вещества; Т0 = 278 К - температура, при которой происходит разложение газогидрата.

Из уравнения Фурье следует, что тепловой поток, направленный из угольного пласта к газогидратной частице, равен:

, (1)

пэо Вт

где х = —— - удельная теплопроводность угля; г - расстояние от угольного М' К

вещества до газогидратной частицы, нм; г - промежуток времени в течение которого происходит процесс диссоциации. Теплота, необходимая для диссоциации газогидрата, равна:

<1<2г=Х-с1т, (2)

где Я = 533 -103Дж/кг - удельная теплота разложения газогидрата, с1т - масса разлагающегося газогидрата, кг; ¿т = 4,0, лг22 с1г2; г2 - радиус газогидратной частицы, нм; рх = 840 кг/м3 - плотность газогидрата метана. Приравняем формулы (1) и (2), получим, что

с/г 2

~1Г

дТ

- скорость диссоциации газогидратнои частицы в угольной матри-

где а це, мкм/с.

Рассчитаем скорость диссоциации газогидрата, используя уравнение теплопроводности для случая сферической системы координат, т. к. частицы газогидрата в угольной матрице имеют структуру КС-1, близкую к сферической, при

этом будем считать, что тепловой поток не зависит от «9 и <Р. Изменение температуры в окружающем частицу угле описывается дифференциальным уравнением теплопроводности:

дТ, X & / *

д1 г,2 дг} дг/:

(4)

где с = 2880^ - удельная теплоемкость угля; г\-текущий радиус; ,0 = 1200-^-

м

плотность угля.

Для выбранной модели зададим следующие начальные и граничные условия, температура угольной матрицы в начальный момент времени равна:

Т(ги0) = Т„ (5)

и температура газогидратной частицы к началу разложения также равна Г,, т. е. Т(г,,0) Ц - Г,.

Для решения поставленной задачи применим метод конечных разностей (МКР), то есть вместо производных в дифференциальном уравнении теплопроводности будем использовать их конечноразностные аппроксимации. Аппроксимируя частные производные уравнения (4) конечными разностями, получаем 0 систему линейных алгебраических уравне-~ 30--т- ний для определения температуры как локальной характеристики и подставляем это распределение в уравнение (3). ? 20 \ 3 результате численного моделирования получили зависимость скорости диссоциации газогидратных частиц от их размеров (рис.5.) с учетом характеристик газогидрата метана и каменного угля.

о 2

|10

\ \

\ V =|307,72ею'549г' Я! ± 0,9849

——___

8 Ё ' 4 е 8 ю размер газогидратной частицы, нм

Рис. 5. Зависимость скорости диссоциации ТУГР по типу газогидратов от их размеров

Следовательно, скорость диссоциации ТУГР по типу газогидратов нелинейно зависит от размеров диссоциирующих частиц и при 4 нм равна 28 нм/мс, с увеличением размера частиц газогидратных молекул скорость диссоциации уменьшается. Модуль скорости диссоциации частиц газогидрата в поровом пространстве угля значительно превосходит скорость волны дробления. А посколь-

ку природная влажность угольных пластов, опасных и угрожаемых по газодинамическим явлениям, не превышает 3,5 %, поэтому концентрация газогидрата в пористой структуре невысока, т. е. частицы находятся на определенном расстоянии друг от друга, а скорость их диссоциации зависит только от их размеров, т. е. размеров поровых каналов, где они образованы, и при падении механического давления в системе диссоциируют и способствуют повышению газового давления и формированию различных видов ГДЯ.

Теперь определим скорость подвигания границы диссоциации ТУГР по типу газогидратов. Граница диссоциации кристаллогидрата в первоначальный момент расположена вблизи забоя и с течением времени перемещается в глубину массива. Скорость ее перемещения найдем из выражения [по А. М. Максимову]:

= (в

где р„р2 - текущие давления в областях 1 и 2, Па; р0 - атмосферное давление, Па; ¡J. - динамическая вязкость газа, Па-с; q - координата границы разложения гидрата, м; W— содержание газа в гидратном состоянии в единице объема пористой среды, зависящее от пористости и влажности угольного пласта; к„кг - коэффициенты проницаемости соответственно в областях 1 и 2, Дарси; давление разложения гидрата при пластовой температуре, Па.

W -п(х) = п0(1-е"Ьх)-У^, где п(х)~ функция количества частиц от расстояния,

1 4

V'- объем одной частицы газогидрата, п0 -F0 =п0 —п-г , зная, что площадь

поверхности Snoe =4izr2, отсюда находим Г — J-^-, следовательно, W найдем

как: IV = Ьх), где „0 концентрация.

После решения дифференциального уравнения (6) получаем следующую формулу:

у ... [^-Р^-ЬЦ-А2! (7)

,ГГМ*')'

\4 л 3-У0

Найдем зависимость скорости подвигания границы диссоциации газогидратов от давления разложения для пласта «Владимировский» ш. «Северная» при заданных термодинамических условиях: 7=269 К; Рр = 7,3-Ю6 Па; РТ - 4.0-Ю6 Па; = 9,3-106 Па; к{ =0,1 Дарси; к2 = 0,001 Дарси; Р0 = 105 Па; т = 0,13;

а= ^ Ро ; рг = 0,01 Па-с; к = 0,1; щ =1023. Искомая зависимость представлена на т-рг

рис. 6.

Скорость движения границы диссоциации кристаллогидратов позволила сопоставить ее со скоростью распространения волны дробления, рассчитанной (5,95 м/с) по работам академика А. С. Христиановича в глубину массива, и говорит об участии ТУГР по типу газогидратов в формировании ГДЯ.

° 4 давление разложения, МПа

Рис. 6. Скорость подвигания границы диссоциации ТУГР при различных давлениях разложения

Таким образом, можно оценить роль диссоциации кристаллов природного газа в развязывании и поддержании газодинамических явлений призабойной зоны угольного пласта путем математического моделирования процесса распределения газового давления при диссоциации ТУГР по типу газогидратов с учетом гидратонасыщенности угольного пласта.

В четвертой главе методом математического моделирования получено распределение газового давления впереди забоя подготовительной выработки в результате диссоциации кристаллогидратов природного газа с учетом гидратонасыщенности и изменяющегося коэффициента проницаемости угольного пласта.

Пусть впереди забоя горной выработки, проходимой по угольному пласту, на некотором расстоянии от забоя находится зона, содержащая ТУГР по типу газогидратов в виде россыпи кристаллогидратов. Вследствие резкого прироста механических напряжений, происходит разрушение части пласта впереди забоя и прорастание трещин, ортогональных оси выработки, что приводит к диссоциации газовых гидратов. Аналогичные процессы могут наблюдаться и при внедрении забоя подготовительной выработки в зону пликативного нарушения.

Вследствие трещинообразования происходит резкое снижение газового давления до значений ниже равновесного, соответствующего данной температуре. При этом кристаллы газогидрата начинают диссоциировать и газ переходит в свободное состояние, что существенно изменяет газодинамику призабойной зоны массива и горной выработки.

На рис. 7 представлено условное схематическое разделение угольного пласта впереди забоя подготовительной выработки на характерные зоны.

1 - зона ламинарной фильтрации; 2 - зона, в которой давление газа максимально и практически постоянно; 5 — исходное распределение газового давления; 3 -зона, разделяющая неупругие и упругие деформации; 4 — зона трещи-нообразования, которая возникла под действием скачка механических разрушений; а - протяженность зоны влияния выработки

Вследствие опорного давления коэффициент проницаемости массива в краевой зоне пласта изменяется. Характер изменения коэффициента проницаемости в этой связи примем: вблизи забоя выработки проницаемость максимальная ка, а далее она уменьшается и достигает минимума^ там, где наблюдается максимум зоны опорного давления. За зоной влияния выработки коэффициент проницаемости принимает постоянное значение .

Найдем закон изменения давления газа в зонах 1, 3, 4 (рис. 7) в результате диссоциации кристаллогидратов природного газа при различной гидратонасы-щенности выбросоопасных угольных пластов, зная, что к(х) является функцией расстояния до забоя выработки.

Примем следующие граничные условия для коэффициента проницаемости:

а) проницаемость на забое выработки к(х) | 0 = т. е. начало оси х совпадает с забоем выработки, а х > 0 — в глубину массива;

б) к3(х) |х=4 =Мх) | , т. е. принято, что диссоциация кристаллогидратов начинается на границе зон 3 и 4, где х = #- расстояние от забоя выработки до начала зоны, где происходит диссоциация кристаллогидратов;

в) за зоной влияния выработки проницаемость остается равной к{х) |х=ж = кх.

Движение метана в пласте угля описывается дифференциальным уравнением Буссинеска для одномерного изотермического течения, полученного Л. С. Лейбензоном:

Ф _ * 82р\ (8)

3/ 1тцг дх1

где т- коэффициент пористости среды; р -давление газа; ^Г- динамическая вязкость газа; к— коэффициент проницаемости.

Давление газа в пласте

"Кров/т:

Выработка Р=0,1 МПа

- - ---- П оч в а _г=: ^ -

Рис. 7. Схема к расчету распределения газового давления впереди забоя подготовительной выработки при диссоциации газогидратов

Начальные и граничные условия для давления газа запишем следующим образом: р(х,0) |ж=0 =р0- давление в выработке;

Л(•*»')\„( =Р*(Х>0 ¡„^ =РР, где рр - давление разложения кристаллогидратов; д-

координата границы зон 3 и 4;

РгС00»0 I««, = Ргг Рг~ газовое давление.

В такой постановке данная задача является автомодельной, и для ее решения используем явные разностные схемы и математический пакет Мар1е14. Заменим частную производную по времени в уравнении (8) конечно-разностной аппроксимацией. Предварительно определим число молей газа, содержащегося в гидратном состоянии в угольном пласте:

где

Р, МПа.

М,«>ыП

Г р„ ' 3

--- гидратонасыщенность; плотность воды р„ = 1000 кг/м;

1 8 Рм

е = 0,126 - природная масса газа в единице массы газогидрата; плотность гидрата природного газа = 883 кг/м3; № - природная влажность угля; \1воды- молярная

масса воды; п - число молекул воды, приходящихся на одну молекулу газа в элементарной ячейке газогидрата формы КС-1.

Разложение ТУГР по типу газогидратов приводит к повышению газового давления впереди забоя выработки (рис. 8), которое зависит от коэффициента проницаемости массива и влажности угольного пласта.

В качестве примера рассчитаем распределение давления газа после начала

процесса диссоциации для пласта Владимировский шахта «Северная», при условиях: Т= 288 К; глубина разработки Н = 370 м; Рг = 4.6-10 Па; Р0 = 105 Па; т = 0,05;

я = —5-; иг = 0,01 Па-с; И =3 м -т-цг

__высота выработки; 1=5 м - ширина

выработки;

Х1= 0,07 м протяженность зоны угля, содержащего газогидраты; уугля = 1,05 м3. Результаты расчета при-

-т-,-ведены на рис.8, для условий, взя-

2 4 8 х-м тыхизтабл. 1.

Рис. 8. Распределение давления газа после начала диссоциации газовых гидратов и изменяющейся проницаемости краевой зоны угольного пласта: 1 - исходное распределение газового давления; 2 - при гидратонасыщенности 1,9 %; 3 - при гидратонасыщенности 2,6 %; 4 - при гидратонасыщенности 3,9 %;

5- при гидратонасыщенности 5,2 %

Таблица 1

Приращения давления газа для условий пласта Владимировский ш. «Северная» при диссоциации ТУГР по типу газогидратов

№ Влажность Гидратонасьпценность Р,% Число молей У,моль Добавочное давление газа вследствие диссоциации газогидратов Ар, МПа

1 1,5 1,9 51,47 2,25

2 2,0 2,6 68,63 2,97

3 3,0 3,9 102,94 4,39

4 4,0 5,2 137,26 5,77

Вследствие диссоциации газогидратов увеличивается давление свободного газа с учетом изменяющегося коэффициента проницаемости массива и его гид-ратонасыщенности. Дополнительный объем свободного газа зависит от протяженности зон, содержащих газогидраты. Анализ литературы показал, что от размеров частиц газогидрата зависит скорость диссоциации ТУГР по типу газогидратов, в этой связи решим задачу по определению скорости диссоциации ТУГР по типу газогидратов от их размеров, применительно к угольным пластам.

В пятой главе представлены исследования по установлению вида ГДЯ в зависимости от проницаемости краевой зоны угольного пласта.

Для определения вида ГДЯ (внезапный выброс или загазирование) рассчитывают коэффициент выбросоопасности Я" с учетом критического значения коэффициента проницаемости массива к. Расчет показателя выбросоопасности Я" производят по методу проф. В. И. Мурашева с учетом прироста давления, вследствие диссоциации ТУГР по типу газогидратов при различных значениях газового давления и коэффициента проницаемости массива в зоне, разделяющей область неупругих и упругих деформаций. Определяют диапазон изменения значений коэффициента проницаемости к данного угольного пласта на границе, разделяющей области неупругих и упругих деформаций. Для этого рассчитывают напряжения по формуле:

~ ]+е-'.28(/-0,75) , (9)

где / - коэффициент крепости, сг0 - напряжения на кромке забоя, а на границе зоны влияния выработки их полагают равными уН. Проводят прямую через эти точки, а по выходу штыба определяют расстояние до границы разделения зон неупругих и упругих деформаций (точка перегиба) и находят а(х) в данной точке. Затем вычисляют практическое значение коэффициента проницаемости для данного угольного пласта по формуле:

к(х) = к0е-ь^\ (10)

где к0- коэффициент газопроницаемости угля в состоянии полной разгрузке от напряжений, м 2 (определяется в лабораторных условиях по В. В. Ходоту); х -расстояние до границы зоны упругих и неупругих деформации по выходу шты-

ба, м; Ъ - некоторая постоянная, зависящая от компрессионных свойств угольного пласта; сг(х)- величина напряжений в точке, соответствующей границе раздела зон неупругих и упругих деформаций, МПа, определяется с помощью линеаризации функции напряжения.

При значениях к, превышающих критическое значение для данного угольного пласта, происходит загазирование выработки (так как происходит интенсивная фильтрация газа в сторону забоя выработки), а при к < ккр - формирование выбросоопасной ситуации.

Для пласта «Владимировский» шахты Северная рассчитано: к„р(3,5)—3 10 м < ккр—10 1(Г75 м2, поэтому данный участок опасен по внезапным выбросам угля и газа (рис. 10).

^.МПА/М

Рис. 10. Номограмма для определения вида ГДЯ

Данная методика позволяет выявить в угольных пластах зоны, опасные по ГДЯ, и повысить надежность прогноза за счет того, что учитывает дополнительный фактор в виде наличия твердых растворов природного газа по типу газовых гидратов, диссоциация которых вносит основной вклад в газовый баланс при ГДЯ, и позволяет однозначно интерпретировать результаты измерения удельного электросопротивления, а также позволяет определить тип газодинамических явлений в случае попадания выработки в опасную зону.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение научной задачи по разработке и обоснованию метода прогноза газодинамических явлений в подготовительных выработках с учетом твердых растворов природного газа по типу газогидратов в угольных пластах, при диссоциации которых выделяется дополнительный объем газа, который вносит основной вклад в газовый баланс при ГДЯ, что позволяет повысить точность текущего прогноза газодинамических явлений и безопасность горных работ при подземной разработке угольных месторождений и вносит существенный вклад в отрасль наук о Земле.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему:

1. Экспериментально установлены термодинамические условия и минимальная влажность, при которых происходит образование ТУГР в поровых каналах угольной матрицы.

2. Установлена экспоненциальная зависимость уменьшения скорости диссоциации ТУГР с увеличением их размеров, а также найдено соответствие скорости движения границы диссоциации и скорости «волны дробления» по С. А. Хри-стиановичу.

3. Установлено увеличение давления свободного газа и его распределение при диссоциации ТУГР в зависимости от гидратонасыщенности и коэффициента проницаемости краевой зоны массива.

4. Разработана методика определения вида ГДЯ с учетом зон, содержащих ТУГР и критической проницаемости массива краевой зоны угольного пласта.

5. Написана программа для расчета показателя выбросоопасности угольных пластов и определения вида газодинамических явлений.

6. Разработано «Методическое руководство по прогнозу зон, потенциально опасных по газодинамическим явлениям, при проведении подготовительных выработок с учетом твердых растворов природного газа по типу газогидратов».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

В изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Ким, Т. Л. Математическое моделирование загазирования выработок при диссоциации кристаллогидратов в угольных пластах [Текст] / Т. Л. Ким, В. В. Дырдин // Изв. Вуз. Горный журнал. - 2011. - № 2. - С. 131 -134.

19

2. Ким, Т. Л. Математическое моделирование процесса диссоциации кристаллогидрата в краевой зоне угольного пласта [Текст] / Т. Л. Ким, В. В. Дырдин,В. А.Белков//ВестникКузГТУ. -2011. - №2.-С. 19-21.

3. Ким, Т. Л. Влияние твердых растворов природного газа на газодинамические процессы впереди забоя подготовительной выработки [Текст] / Т. Л. Ким, В. В. Дырдин, А. А. Мальшин, С. А. Шепелева // Вестник КузГТУ. -2012. - №3.- С. 12- 15.

4. Ким, Т. Л. Газовыделение в выработку с учетом изменяющейся проницаемости угольного пласта [Текст] / Т. Л. Ким, В. В. Дырдин, С. А. Шепелева // Изв. Вуз. Горный журнал. - 2013. -№2. - С. 128- 130.

5. Ким, Т. Л. Образование твердых растворов природного газа в угольной матрице [Текст] / Т. Л. Ким // Вестник КузГТУ. - 2013. - № 6. - С. 9 -12.

6. Ким, Т. Л. Исследования форм связи метана с угольной матрицей для совершенствования методик прогноза выбросоопасности [Текст] / Т. Л. Ким, А. Ю. Манаков, В. Г. Смирнов, В. В. Дырдин, С. А. Шепелева // Изв. Вуз. Горный журнал. - 2014. -№ 1. -С. 128 - 136.

В прочих изданиях и материалах конференций:

7. Расчет показателя выбросоопасности при подземной разработке угольных пластов [Текст]: свидетельство о государственной регистрации прогр. для ЭВМ № 2014612640 Рос. Федерация / Шепелева С. А., В. В. Дырдин, Т. Л. Ким.; правообладатель: ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева». - № 2014612640; заявл. 10.01.2014; зарегистр. 03.03.2014. - 1с.

8. Ким, Т. Л. Диссоциация кристаллогидратов природного газа в краевых зонах угольных пластов [Текст] / Т. Л. Ким, В. В. Дырдин, В. А. Белков // Сборник докладов: Ш-Всероссийская, 56 научно-практическая конференция «Россия Молодая».—2011. - С. 68-69.

9. Ким, Т. Л. Скорость подвигания границы диссоциации твердых растворов природного газа в угольной матрице [Текст] / Т. Л. Ким // Сб. тезисов и докладов: Всероссийская молодежная конференция. Химическая физика и актуальные проблемы энергетики: Томский политехнический университет. -2012. - С. 133- 135.

10. Ким, Т. Л. Влияние размеров твердых растворов природного газа по типу газогидратов на скорость диссоциации при различном давлении их разложения [Текст] / Т. Л. Ким, В. В. Дырдин // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. - 2012. - С. 228 - 231.

11. Ким, Т. JI. Изучение влияния размеров частиц газогидратов на скорость движения границы диссоциации твердых растворов природного газа / Т. Л. Ким, В. В. Дырдин, А. А. Мальшин [Текст] II Сборник трудов: XIV Международная научно-практическая конференция. Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности. - 2012. -С. 69-71.

12. Ким, Т. Л. Изучение физических свойств системы «угольная матрица — поровая влага» [Текст] / Т. Л. Ким, С.А. Шепелева, Ю. В. Ваганова, А. Б. Стегаок, А. Д. Соловьев // Сб. докл. студентов, аспирантов и профессорско - преподавательского состава университета. По результатам IV Всероссийской, 57 научно-практической конференции молодых ученых «РОССИЯ МОЛОДАЯ», 24-27 апреля 2012 г. / Редкол.: В. Ю. Блюменштейн (отв. редактор) [и др.]. - Кемерово: КузГТУ. - Т. 1. - 2012. - С. 49-52.

13. Ким, Т. Л. Определение границ зон твердых растворов природного газа в угольной матрице геофизическими методами [Текст] / Т. Л. Ким, С.А. Шепелева, А. А. Кабирова, Т. В. Жукова // Сб. докл. студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава университета. По результатам IV Всероссийской, 58 научно-практической конференции молодых ученых «РОССИЯ МОЛОДАЯ», 16-19 апреля 2013 г. / Редкол.: В. Ю. Блюменштейн (отв. редактор) [и др.]. - Кемерово: КузГТУ. - Т. 1. - 2013. - С. 5254.

14. Ким, Т. Л. Влияние твердых растворов природного газа на проявление газодинамических явлений в угольных пластах [Текст] / Дырдин В. В., Шепелева С. А., Смирнов В. Г. // Материалы IX Международной научно -практической конференции «Доклады научных идей - 2013». - 2013. - Прага: Наука и образование. - С. 65 - 69.

15. Ким, Т. Л. Определение типа газодинамических явлений при наличии твердого раствора природного газа по типу газогидратов в массиве [Текст] / Т. Л. Ким, В. В. Дырдин // Сборник трудов: X Международная научно -практическая конференция «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах», 28 - 29 ноября 2013г. - 2013. - С. 68 -70.

Подписано к печати д, Ов. 2014 г. Формат 60x84 1/6. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Печ. л. 1,2. Тираж 120 экз. Заказ № 4 -/О

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева» 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Отпечатано в издательском центре УИП КузГТУ 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.

22