Причины трещинообразования и признаки деформации угольного пласта в зоне вибрационного воздействия
М.В. Павленко , Е.В. Синицкая, И.А. Флорова, Д.Г. Сандакова
Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №2 / 2024 стр. 134-138
Резюме: Применение вибрационного воздействия для эффективной подготовки низкопроницаемого угольного пласта – перспективный и постоянно совершенствующийся процесс. Главная трудность теоретического исследования состоит в том, что угольные пласты очень разнообразны по своим свойствам и представляют собой сложную среду. При вибрационном воздействии происходит изменение емкостных и фильтрационных характеристик угольного массива, что приводит к изменению структуры и емкости порово-трещинного пространства угля. Такая реакция находит хорошее объяснение: каждый акт вибрационного воздействия вызывает быстрое изменение в угольном массиве в соответствии с действующими напряжениями во время вибрации. Эта точка зрения была положена в основу теоретических рассуждений, с целью обоснования рационального воздействия по направленному вибровоздействию на угольный пласт, для изменения трещиноватости и дальнейшей интенсификации метаноотдачи. Это подтверждается как лабораторными, так и производственными экспериментами по вибрационному воздействию. Подобную природу имеют изменения в окружающей среде после сильных землетрясений даже на больших расстояниях от источника воздействия. Поэтому наиболее простым по конструктивной реализации и менее затратным по энергетике и материалоемкости является направленный колебательный процесс на угольный низкопроницаемый пласт, который совершается с использованием виброустановок как наземного, так и подземного исполнения.
Ключевые слова: низкопроницаемый угольный пласт, вибровоздействие, газоотдача, горный массив, трещинообразование
Для цитирования: Павленко М.В., Синицкая Е.В., Флорова И.А., Сандакова Д.Г. Причины трещинообразования и признаки деформации угольного пласта в зоне вибрационного воздействия. Горная промышленность. 2024;(2):134–138. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-2-134-138
Информация о статье
Поступила в редакцию: 24.02.2024
Поступила после рецензирования: 20.03.2024
Принята к публикации: 25.03.2024
Информация об авторах
Павленко Михаил Васильевич – кандидат технических наук, доцент, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Синицкая Елена Владимировна – старший преподаватель, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Флорова Ирина Анатольевна – старший преподаватель, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Сандакова Дарима Галсановна – аспирант, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Введение
При эксплуатации угольных месторождений используются многочисленные и постоянно совершенствующиеся методики увеличения метаноотдачи из угольных пластов. И, тем не менее, достигнутый уровень значений коэффициента газоотдачи из угольного пласта низок.
Трещиноватый угольный массив состоит из многочисленных пористых и проницаемых блоков, отделенных друг от друга трещинами. Естественно, данные свойства угольных пластов накладывают свой отпечаток на особенности протекания процессов фильтрации газов [1–3]. Поэтому такая структура угольного массива обусловливает проявление обменных процессов между системой блоков и системой трещин [3–5].
Проведенный комплекс исследований по вибрационному воздействию на угольный массив можно рассматривать как важный этап исследований этой проблемы [6; 7]. На данном этапе была выполнена серия натурных экспериментов, впервые обнаружен ряд эффектов вибрационного воздействия [6–9]. Сделаны попытки их объяснения.
Оценивая влияние вибрационного воздействия на систему «уголь+метан», можно предположить, что потеря устойчивости системы с выделением метана в свободную фазу возможна в динамических условиях и в условиях, при которых угольный массив может под действием колебаний терять структурную однородность.
Существующая задача ― использования вибрационного излучения сейсмических волн рассматривает динамическую систему (вибратор + угольный массив) ― как совокупность сосредоточенных масс и упругих элементов [2; 4; 6; 8].
Подтверждая в частном случае вибровоздействие на угольный массив и справедливость предложенной динамической системы, а также с учетом результатов проведенных экспериментов можно: выявить и ряд принципиальных аналогий [6; 7; 10; 11]. Полученные результаты в целом показывают, что при изменении амплитуды и частоты колебаний на модели для согласования экспериментальных данных приходится изменять параметры последней, что, очевидно, резко увеличивает предсказательную ценность такой модели.
С точки зрения сложности отвода газа из низкопроницаемого угольного пласта с высоким содержанием метана и низкой газопроницаемостью изучались распространение пульсирующей волны напряжения и механизм разрушения угля с использованием теоретического подхода к данной проблеме, лабораторного эксперимента и полевых испытаний. Исследование показывает, что воздействие пульсирующей волны вибровоздействия может увеличивать напряжение в одних областях и уменьшать в других. Эффект вибровоздействия в угольном массиве приводит к тому, что даже небольшое пульсирующее воздействие создает лучший эффект трещинообразования, чем обычное статическое воздействие [2; 10; 11]. На основе исследований была предложена технология вибровоздействия на низкопроницаемый угольный пласт для изменения его газопроницаемости [10; 11]. Экспериментальные исследования здесь являются доминирующими, хотя и реализуются методом проб и ошибок.
Однако эволюция структуры трещин и пор угольного массива при вибровоздействии ясна, особенно когда вынужденная частота вибрации совпадает с собственной частотой пласта, что проявляется в результате резонансных явлений [11; 13]. Результаты экспериментов показывают, что вибровоздействие при относительно низких частотах (менее 100 Гц) увеличивает общий объем пор и создает дополнительные системы газопроводящих трещин [6; 11; 13].
Методы исследования
В исследовании был проведен эксперимент по вибровоздействию на низкопроницаемый угольный массив в лабораторных масштабах, и было предварительно сформировано более 3500 последовательных по времени импульсов [6; 9]. Наблюдался максимум метанооотдачи из угольного массива в лабораторных условиях при частоте 30–40 Гц, и при вибровоздействии на установке подземного исполнения при частоте 11–14 Гц, что подтверждает наличие резонанса на данном этапе вибровоздействия [6; 7; 11; 13].
Вибровоздействие в натурных условиях повторяет характер процесса вибровоздействия на образец угля в лабораторных условиях, что и приводит к аналогичным результатам, так как исследуемый кусок отбитого газоносного угля рассматриваем как небольшой угольный массив. Можно предположить, что газовыделения из отбитого куска угля и угольного массива качественно подобны и отличаются, только количественно. Опыт подтверждает это предположение.
Вибрационное воздействие в области низких частот (1–100 Гц) на низкопроницаемый угольный пласт приводит к поэтапному изменению состояния угольного массива, что и определило увеличение трещиноватости и метаноотдачи угольного пласта в зоне вибровоздействия [6; 7; 10; 11; 13].
В настоящее время вибраторы, различного исполнения, являются не только одними из наиболее распространенных инструментов вибрационного воздействия, но благодаря ряду принципиальных преимуществ перед другими источниками сейсмических волн все чаще являются инструментом воздействия в различных областях исследований среды, исследований нелинейных явлений и т.д. Полная контролируемость вибрационных воздействий по сравнению с другими воздействиями очевидна, и оценка действительных возможностей вибратора как источника сейсмических волн становится весьма актуальной [11; 14–17].
Геометрия трещинообразования в угольном массиве
Создание трещин в угольном массиве под действием знакопеременных воздействий ― наиболее хрупкая форма разрушения угля, которое может произойти при вибровоздействии. При больших степенях деформирования вероятность трещинообразования увеличивается, как это проиллюстрировано на диаграмме хрупкого перехода в угольном массиве (рис. 1).
Рис. 1 Хрупкий переход в трещиноватом угольном массиве при вибровоздействии
Fig. 1 Brittle transition in fractured coal massif under vibration impact
Во время использования вибрационного воздействия для обработки ближайшей зоны пласта, оно может оказать существенное влияние на угольную и горную массу вокруг скважины. Вибровоздействие приводит к снижению прочности угольного массива, что способствует адсорбции газа. Наконец, образуется дополнительная сеть трещин, которая способствует повышению проницаемости угольного массива по метану [8; 11]. Объем метаноотдачи из угольного пласта увеличивается.
При этом проницаемость угольного массива, является критически важным свойством для добычи газа из газоносного угольного пласта. На неё оказывают влияние геометрия пор и трещин угольного массива.
Мелкие трещины, образующие взаимосвязанную сеть трещин, повышают коэффициент проницаемости угольного массива, обеспечивают новые каналы перемещения метана в угольном массиве (рис. 2).
Рис. 2 Образование ветвящейся сети трещин и ступенек скола на границах угольных блоков: а – соединение параллельных трещин за счет вторичного скола или сдвига; б – образование ступенек скола при прохождении трещины через образовавшуюся поверхность; в – образование ветвящейся сети трещин после прохождения трещины через границу поверхности угля; 1 – плоскость трещины; 2 – ступенька скола; 3 – направление распространения трещины; 4 – граница поверхности; 5 – система возникшей трещиноватости, во время вибрационного воздействия на угольный пласт.
Fig. 2 Formation of a branching fracture pattern and the cleavage steps at the boundaries of the coal blocks: а – connection of the parallel fractures due to secondary cleavage or shear; б – formation of the cleavage steps when the fracture passes through the formed surface; в – formation of the branching fracture pattern after the fracture passes through the coal surface boundary; 1 – a fracture plane; 2 – a cleavage step; 3 – direction of the fracture propagation; 4 – the surface boundary; 5 – the system of fractures formed during the vibration impact on the coal seam.
Высокая эффективность вибровоздействия упругими колебаниями на угольный массив достигается, как через скважины с поверхности, так и из подземных скважин при рациональных режимах воздействия с учетом характеристик отрабатываемого угольного пласта, с учетом поставленных задач [16]. Поэтому фильтрационные процессы в угольном массиве после вибрационного воздействия в образовавшихся блоках обязаны полученной новой системе трещин [3; 7; 17].
Заключение
Применение вибровоздействия при обработке угольного пласта – достаточно перспективный и достаточно исследованный процесс. Главная трудность теоретического исследования состоит в том, что пласты очень разнообразны по своим свойствам и представляют собой сложную неоднородную структуру. Результаты, касающиеся динамики взаимодействия вибрационного источника с реальным угольным пластом, свидетельствуют о характере этого взаимодействия. Мы анализируем влияние вибрационного воздействия на образование и рост трещин в угольном массиве, используя результаты моделирования, исследования в лабораторных условиях на образцах угля и натурные исследования. Полученные результаты разномасштабных экспериментов объясняют напряженнодеформированную природу угольного массива.
Основываясь на сложной ситуации с метановыделением из угольного пласта с низкой проницаемостью, необходимо учитывать механизм формирования трещиноватости при вибрационном воздействии с использованием теоретических исследований, математического моделирования и результатов натурных испытаний для решения безопасности в угольных шахтах [16; 18]. Результаты исследований показывают, что вибровоздействие в определенном диапазоне частот на массив угля ведет к росту трещиноватости и способствует стимулированию метаноотдачи даже в случае, когда вибровоздействие осуществляется на низкопроницаемый угольный массив. Указанные результаты привели к необходимости считать вибрационное воздействие обязательным элементом комплексного воздействия для обеспечения трещиноватости и увеличения фильтрационных потоков метана в угольных блоках угольных пластов. Таким образом, при вибровоздействии происходит изменение емкостных и фильтрационных характеристик угольного массива.
Список литературы
1. Премыслер Ю.С., Яновская М.Ф. Влияние микротрещиноватости угля на скорость десорбции из него метана. Известия АН СССР. ОТН. Металлургия и топливо. 1960;(3):92–98. Premysler Yu. S., Yanovskaya M.F. The effect of coal microcrackage on the rate of methane desorption from it. Izvestiya AN SSSR. OTN. Metallurgiya i Toplivo. 1960;(3):92–98. (In Russ.)
2. Павленко М.В., Барнов Н.Г., Кузиев Д.А., Кенжабаев К.Н., Монзоев М.В. Вибрационное воздействие через скважины и технология дегазационной подготовки низкопроницаемого угольного пласта. Уголь. 2020;(1):36–40. https://doi. org/10.18796/0041-5790-2020-1-36-40 Pavlenko M.V., Barnov N.G., Kuziev D.A., Kenzhabaev K.N., Monzoev M.V. Vibration impact through wells and the technology of degassing of the preparation of low-permeability coal seam. Ugol’. 2020;(1):36–40. (In Russ.) https://doi.org/10.18796/0041-5790-2020-1-36-40
3. Одинцев В.Н. Оценка микротрещинообразования в угле при десорбции метана. Записки Горного института. 2001;(1):146–150. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/9736 (дата обращения: 25.02.2024). Odintsev V.N. Estimation of microcracking in coal during methane desorption. Journal of Mining Institute. (In Russ.) Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/9736 (accessed: 25.02.2024).
4. Khoreshok A., Kantovich L., Kuznetsov V., Preis E., Kuziev D. The results of cutting disks testing for rock destruction. E3S Web of Conferences. 2017;15:03004. https://doi.org/10.1051/E3SCONF/20171503004
5. Лопухов Г.П., Павленко М.В., Сальников А.Н. Блочное строение горной породы каменноугольной системы. Горная промышленность. 2016;(4):68–69. Lopukhov G.P., Pavlenko M.V., Salnikov A.N. Block structure of carboniferous system rock strata. Russian Mining Industry. 2016;(4):68–69. (In Russ.)
6. Павленко М.В., Хайдина М.П., Кузиев Д.А., Пихторинский Д., Муратов А.З. Факторы воздействия комбайна при добыче угля на увеличение метаноотдачи массива в рабочее пространство лавы. Уголь. 2019;(4):8–11. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2019-4-8-11 Pavlenko M.V., Khaidina M.P., Kuziev D.A., Pihtorinskiy D., Muratov A.Z. Impacts of the combine harvester in the production of coal to increase methane recovery array in the workspace lava. Ugol’. 2019;(4):8–11. (In Russ.) https://doi.org/10.18796/0041-5790-2019-4-8-11
7. Клементьева И.Н., Кузиев Д.А. Современное состояние и перспективы развития конструкций карьерных комбайнов для безвзрывной послойной выемки прочных пород. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019;(2):123–128. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2019-02-0-123-128 Klement’eva I.N., Kuziev D.A. Actual status and prospects for future development of surface miners, designed for for blastless lit-by-lit excavation of solid rock. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2019;(2):123–128. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236-1493-2019-02-0-123-128
8. Павленко М.В., Базаров Б.А., Конакбаева А.Н., Мезенцева А.В. Воздействие механических колебаний на газонасыщенный угольный массив как деформируемую систему. Уголь. 2022;(4):46–49. https://doi.org/10.18796/0041-57902022-4-46-49 Pavlenko M.V., Bazarov B.A., Konakbaeva A.N. Mezentseva A.V. The effect of mechanical vibrations in a gas-saturated coal massif as a deformable system. Ugol’. 2022;(4):46–49. (In Russ.) https://doi.org/10.18796/0041-5790-2022-4-46-49
9. Павленко М.В., Федотов И.Е. Кинетика десорбции метана из угля под действием вибрационного воздействия. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2000;(8):34–36. Pavlenko M.V., Fedotov I.E. Kinetics of methane desorption from coal under the action of vibration. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2000;(8):34–36. (In Russ.)
10. Павленко М.В., Агарков А.В., Горбунов П.В. Вибрационное воздействие через скважину с дневной поверхности с целью увеличения проницаемости угольного массива. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2001;(1):40–43. Pavlenko M.V., Agarkov A.V., Gorbunov P.V. Vibration effect through a well from the daytime surface in order to increase the permeability of the coal massif. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2001;(1):40–43. (In Russ.)
11. Павленко М.В., Десятерик Н.И., Розгон В.Д. Вибрационное воздействие на низкопроницаемый угольный пласт с целью изменение его состояния. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2001;(8):24–26. Pavlenko M.V., Desyaterik N.I., Rozgon V.D. Vibration effect on a low-permeable coal seam in order to change its state. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2001;(8):24–26. (In Russ.)
12. Павленко М.В., Велесевич В.И. Исследование принципов возбуждения и движения жидкости в угольном пласте посредством вибрации. В кн.: Geotehnika-Geotehnics 2010: материалы 14-й Междунаро. симпозиума, Gliwice-Ustroń, Польша; 2010. С. 169–174.
13. Павленко М.В., Воробьев А.Н. Определение собственных частот колебаний пласта (математическая модель). Горный информационно-аналитический бюллетень. 2010;(5):142–143. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/ Data/2010/5/Vorobyev_5_2010.pdf (дата обращения: 25.02.2024). Vorobev A.N., Pavlenko M.V. Definition of internal frequencies of seam vibrations (mathematical model). Mining Informational and Analytical Bulletin. 2010;(5):142–143. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2010/5/Vorobyev_5_2010.pdf (accessed: 25.02.2024).
14. Hou P., Gao F., Ju Y., Cheng H., Gao Y., Xue Y., Yang Y. Changes in pore structure and permeability of low permeability coal under pulse gas fracturing. Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2016;34:1017–1026. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2016.08.015
15. Bahr H.-A., Fischer G., Weiss H.-J. Thermal-shock crack patterns explained by single and multiple crack propagation. Journal of Materials Science. 1986;21(8):2716–2720. https://doi.org/10.1007/BF00551478
16. Баловцев С.В., Скопинцева О.В. Научно обоснованные технологические решения по снижению аэрологических рисков действующих и проектируемых угольных шахтах. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023;(2):139–151. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2023_2_0_139 Balovtsev S.V., Skopintseva O.V. Science-based technological solutions for aerological risks reducing in operating and designing coal mines. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2023;(2):139–151. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2023_2_0_139
17. Павленко М.В., Мерзляков В.Г., Синицкая Е.В., Флорова И.А., Адигамов Д.А. Роль вибрационного воздействия в трещинообразовании и газоотдачи из низкопроницаемого угольного пласта. Уголь. 2023;(5):37–40. https://doi. org/10.18796/0041-5790-2023-5-37-40 Pavlenko M.V., Merzlyakov V.G., Sinitskaya E.V., Florova I.A., Adigamov D.A. The role of vibration impact in fracturing and gas recovery from a low-permeability coal seam. Ugol’. 2023;(5):37–40. (In Russ.) https://doi.org/10.18796/0041-5790-2023-5-37-40
18. Сластунов С.В., Коликов К.С., Ермак Г.П., Ютяев Е.П. Решение проблемы безопасности угледобычи в долгосрочной программе развития отрасли. Горный журнал. 2015;(4):46–49. https://doi.org/10.17580/gzh.2015.04.08 Slastunov S.V., Kolikov K.S., Ermak G.P., Yutyaev E.P. Safety of coal mining in long-run development. Gornyi Zhurnal. 2015;(4):46– 49. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2015.04.08
