Создание многофункциональных систем мониторинга и прогноза газодинамических явлений, контроля напряженного состояния, разработка методов их предотвращения и оценки эффективности при подземной разработке угольных месторождений

Объекты исследования: углепородный массив, оконтуренный горными выработками, характеризующийся структурными изменениями в области угольного пласта и активной кровли в процессе ведения горных работ; угольный пласт, высвобождающий метан; газонасыщенный угольный пласт, вмещающий непрочный прослоек (напряжённое состояние угольного пласта и распределение давления порового метана в его краевой зоне); методы текущего прогноза выбросоопасности угольных платов; процесс газовыделения. Цель работы. Разработать научные основы комплексного геофизического метода эксплуатационной разведки выемочных участков для регистрации изменений геомеханического состояния углепородного массива выемочных участков в процессе угледобычи. Выполнить моделирование оценки высвобождения метана из угольного пласта при применении методов интенсификации процессов дегазации. Разработать подход к оценке внезапных выбросов угля и метана из отрабатываемого угольного пласта, основанного на концепциях С.А. Христиановича о газодинамических процессах в угольных пластах, и модели геомеханического состояния углепородного массива, вмещающего очистную выработку. Разработать методику определения критерия выбросоопасности для методов текущего прогноза, основанных на спектральном анализе «шума» работающего оборудования. Установить закономерности газовыделения из угольного пласта в зависимости от геомеханических напряжений при техногенном воздействии на углепородный массив. В ЕГИСУ НИОКТР, в связи с техническими неполадками, отображены задачи 2021 года. Задачи этапа 2022 года: – изучить влияние изменения напряженного-деформированного состояния и трещинно-порового пространства углепородного массива на распространение акустических волн; – выполнить моделирование оценки высвобождения метана из угольного пласта при применении методов интенсификации процессов дегазации. Оценить возможность внезапного выброса метана и угля на заданных интервалах изменения параметров угольного пласта и кривой распределения свободного метана; – изучить особенности выделения метана из разрушаемой системы «уголь-метан» в зависимости от геомеханического состояния углепородного массива в ходе ведения горных работ. Использованы методы: сейсмического просвечивания углепородного массива, эхолокационного мониторинга дегазационных скважин, численное моделирование изменений напряженно-деформированного состояния в пределах выемочного участка; пространственного моделирования изменчивости газокинетических свойств массива; параметрическая модель структуризации вмещающего массива; шахтное, лабораторное и численное моделирование по определению газоносности угольного пласта и начальной скорости газоотдачи; моделирование и прогноз метанообильности по профилям изменения природных свойств пласта и фактическим данным близлежащих выработок с целью принятия решений о необходимости применения комплекса дегазационных мероприятий в подготовительных выработках. Разработанный подход к оценке внезапных выбросов угля и метана из отрабатываемого угольного пласта включает в себя модель геомеханического состояния углепородного массива, вмещающего угольный пласт с системой кливажных трещин и непрочным прослойком, отрабатываемый очистной выработкой, а также концепцию распределения давления порового метана в угольном пласте с движущимся забоем, разработанную. С.А. Христиановичем. Модель геомеханического состояния построена на базе основных положений и подходов механики деформируемого твёрдого тела и реализована методом граничных интегральных уравнений. Концепция С.А. Христиановича основана на законах газовой динамики и учитывает основные фильтрационные свойства угольного пласта. Применен спектральный анализ акустических сигналов и вычислительный эксперимент определения критерия выбросоопасности, основанный на данных инструментального и геофизического методов прогноза. Применен инновационный горно-экспериментальный метод по отбору пластовых проб из шпуров в режиме, изолированном от воздушного пространства выработки, лабораторные и численные эксперименты по газовыделению из угля. Важнейшие результаты. Разработан оригинальный подход к прогнозу структурных изменений в активной кровле и угольном пласте на основе анализа данных шахтных сейсмоакустических исследований. Подтверждена принципиальная возможность применения сейсмоакустических методов измерений для определения влияния технологических операций, сопутствующих ведению горных работ, на изменение структурных характеристик углепородного массива. Установлено, что геомеханические изменения, характеризуемые увеличением объема трещинно-порового пространства, контрастно выделяются в регистрируемом комплексе сейсмической информации в области активной кровли – снижением скорости распространения продольных объемных волн по вмещающим породам, в пределах горизонта залегания угля – снижением скорости распространения каналовых волн, распространяющихся по угольному пласту. Выбран комплекс дегазационных мероприятий в подготовительных выработках по выполненному моделированию оценки высвобождения метана угольного пласта. Построены эпюры нормальных к поверхностям магистральных трещин напряжений, а также кривые распределения давления метана вглубь пласта. Показаны участки его предельно напряжённой зоны, где возможно формирование магистральных трещин, пересекающих всю толщу пласта. Обоснована методика экспериментального определения критерия выбросоопасности для двух геофизических методов прогноза выбросоопасности: «по параметрам искусственного акустического сигнала» и спектрально-акустического. Установлены закономерности газовыделения из угольного пласта в зависимости от геомеханических напряжений; определена усадка пласта в призабойной части (изменение занимаемого системой «уголь-метан» объема в результате потери части её газовой компоненты) с учётом изменения газоносности, метаноёмкости и выхода летучих веществ; установленная структура газоносности угольного пласта учитывает изменения его мощности после усадки и согласуется с изменениями напряженно-деформированного состояния угольного пласта в результате технологического воздействия. Разработаны предложения по уточнению связи метанообильности подготовительной выработки с газогеомеханической разгрузкой в призабойной части пласта, основанной на учёте влияния неоднородности темпов подвигания выработки. Разработанная методика расчета параметров метановоздушной смеси в выработанном пространстве шахт. Актуальность и новизна полученных новых знаний. Исследование проведены в рамках государственных (комплексных) программ научно-технологического развития. Научная тема исследования соответствует приоритетному направлению Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработке углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии». Полученные результаты способствуют повышению точности определения газоносности пласта и эффективности прогноза выбросоопасности при проведении очистных и подготовительных выработок, прогноза структурных характеристик углепородного массива, их рекомендуется применять для планирования рационального развития горных работ на угольных шахтах и обеспечения нормальной шахтной атмосферы. Значимость результатов научного исследования для приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации заключается в разработке теоретического подхода, основанного на фундаментальных методах механики деформируемого твёрдого тела и газовой динамики. Такой подход связывает в единое целое вопросы напряжённого состояния пласта и давление внутрипластового метана, определяя соотношение между напряжённым состоянием пласта и давлением метана, при котором возможно образование магистральных трещин, порождающих газодинамические явления; обеспечивает получение прогнозных оценок газодинамических явлений как на стадии проектирования угольных предприятий, располагая лишь данными геологической разведки, так и в ходе ведения горных работ, на базе системы мониторинга горнотехнологических данных. Полученные результаты позволяют снизить риск получения ущерба от произошедших динамических явлений. Это соответствует Стратегии научно-технического развития Российской Федерации в части повышения эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья.