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

Научный результат проекта относится к приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ – Рациональное природопользование. Объекты исследования: фильтрационные свойства анизотропного углепородного массива, характеризующегося структурными изменениями в области угольного пласта и активной кровле естественного и техногенного генезиса; методы текущего прогноза вы-бросоопасности угольных платов; внезапные выбросы угля и метана из их краевой зоны пласта; поинтервальный гидроразрыв пласта; сорбционные процессы в образцах угля, отобранных без их контакта с воздухом. Цель работы – создание многофункциональных систем мониторинга и прогноза газодинамических явлений, контроля напряженного состояния с разработкой методов их предотвращения и оценкой эффективности при подземной разработке угольных место-рождений для обеспечения безопасности ведения горных работ. Задачи этапа 2023 года: - усовершенствовать метод определения проницаемости горных пород на основе высокоточного контроля изменений давления нагнетания флюида в гидроиспытаниях технологических скважин в шахтных условиях; - обосновать необходимость и возможность дифференцированного прогноза раз-личных типов динамических и газодинамических явлений совместно спектрально-акустическим и газоаналитическим методами; разработать метод и устройство поинтер-вального гидроразрыва угольного пласта для интенсификации процессов пластовой дега-зации; - обосновать подход к определению сорбционных, газокинетических и энергетиче-ских свойств углей без их контакта с воздухом. Методы исследования: методы изучения фильтрационных процессов в угольном пласте, основанные на применении слаг-тестов, постановке и проведении численных экспериментов; физическое моделирование процесса подготовки газодинамических яв-лений; методы контроля основных факторов, приводящих в развязыванию газодинамиче-ских явлений: спектральный анализ акустических сигналов для контроля горного давле-ния, газоаналитический метод контроля внутрипластового давления газа; вычислитель-ный эксперимент определения критерия выбросоопасности, основанный на данных ин-струментального и геофизического методов прогноза; моделирование геомеханического состояния углепородного массива, вмещающего угольный пласт с системой кливажных трещин и непрочным прослойком, отрабатываемый очистной выработкой, концепция акад. С.А. Христиановича о газодинамических процессах в угольном пласте с движущей-ся по нему выработкой; фундаментальные законы и методах механики деформируемого твёрдого тела и газовой динамики; метод конечных элементов; сейсмоакустические мето-ды измерений структурных характеристик углепородного массива; экспериментальные стендовые и шахтные исследования процессов гидродинамического воздействия на угольные пласты; технический, петрографический, гранулометрический и адсорбционно-структурный анализ углей. Краткая характеристика основных результатов 2023 г. Разработан комплексный подход к определению фильтрационных свойств уголь-ных пластов на основе прямых измерений проницаемости прискважинной области в от-крытом интервале пробуренных в угольный пласт вертикальных скважин, сопровождае-мый исследованиями на численных моделях влияния изменений трещинно-порового пространства на процессы движения флюидов в угольном пласте. В развитие метода определения проницаемости горных пород на основе высокоточного контроля изменений давления нагнетания флюида в гидроиспытаниях технологических скважин в среде Comsol Multiphysics на основе закона Дарси разработана и исследована численная модель стационарного процесса фильтрации флюида в свежеобнаженную поверхность угольного пласта. В численных экспериментах, моделирующих слаг-тесты, показано, что давление флюида в скважине увеличивается по направлению вглубь массива и при варьировании трещиноватости угольного пласта от тысячных долей метра до одного метра время вос-становления равновесного уровня воды снижается в два раза. Для сопоставления полу-ченных теоретических результатов с данными натурных наблюдений в условиях Ленин-ского геолого-экономического района Кузбасса выполнены слаг-тесты в двух скважинах. В гидродинамических исследованиях установлено, что проницаемость скважин, опреде-ленная в натурных условиях, удовлетворительно согласуется с временем восстановления гидростатического уровня воды, полученного в численных экспериментах. Предложен алгоритм обоснования подсистем текущего прогноза известных типов динамических явлений в угольных шахтах, основанный на контроле основных факторов опасности геофизическими методами. На основе данного алгоритма обоснована возмож-ность дифференцированного прогноза различных типов динамических и газодинамиче-ских явлений совместно спектрально-акустическим и газоаналитическим методами. Построены эпюры опорного давления в краевой зоне пласта и кривые распределе-ния давления метана вглубь пласта. Определены участки пласта со сформированными магистральными трещинами, порождающими процесс выброса углеметановой смеси, включающий два параллельных процесса: волну дробления пласта и выдавливание с огромной скоростью угольной перемычки, примыкающей к забою выработки. Предложен метод поинтервального гидроразрыва угольного пласта для интенси-фикации газоотдачи пласта из необсаженных скважин, пробуренных из подготовитель-ных выработок. Разработаны устройства гидроразрыва для реализации метода, состоящие из двух упруго расширяющихся пакеров, между которыми установлен клапан. Разработан стенд и выполнены лабораторные исследования работы устройств гидроразрыва, показа-ны особенности их работы. Разработаны технологические схемы применения метода по-интервального гидроразрыва в выемочном столбе из подготовительного забоя. Выполне-ны пробные шахтные испытания, свидетельствующие об эффективности метода. Разработана методика лабораторных исследований свойств углей без их контакта с воздухом. Методика основана на алгоритме контролируемых ступенчатых выпусков газа из проб природного угля, уникальность которого заключается в возможности широко-масштабных исследований кинетических, энергетических и сорбционных свойств угля, и на системе критериев, состоящей из: градиентов скорости десорбции газа из пробы, коли-чества газа, поглощенного пробой, объема выделившегося газа в зависимости от разности давления газа и энергии, затраченной на сжатие единицы объема десорбированного газа при газоистощении пробы в замкнутой системе «уголь-газ». Актуальность и новизна полученных новых знаний. Исследование проведены в рамках государственных (комплексных) программ научно-технологического развития. Научная тема исследования соответствует приоритетному направлению Стратегии науч-но-технологического развития Российской Федерации «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой перера-ботке углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспорти-ровки и хранения энергии». Полученные результаты способствуют повышению точности определения газоносности пласта и эффективности прогноза выбросоопасности при про-ведении очистных и подготовительных выработок, прогноза структурных характеристик углепородного массива, их рекомендуется применять для планирования рационального развития горных работ на угольных шахтах, обеспечения нормальной шахтной атмосфе-ры и безопасности горных работ при подземной разработке угольных месторождений. Значимость результатов научного исследования для приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации заключается в разработке теоретиче-ского подхода, основанного на фундаментальных методах механики деформируемого твёрдого тела и газовой динамики. Такой подход связывает в единое целое вопросы определения проницаемости горных пород, фильтрационных свойств угольных пластов; прогноза различных типов динамических и газодинамических явлений и соотношения между компонентами поля напряжений в отрабатываемом угольном пласте и давлением в нём метана, при котором возможно образование магистральных трещин, порождающих газодинамические явления; целесообразности осуществления гидроразрыва угольного пласта из подготовительных горных выработок через необсаженные дегазационные скважины специально разрабатываемым устройством поинтервального гидроразрыва, обеспечивающим многократное создание поперечных относительно оси скважины тре-щин; а также возможности широкомасштабных исследований кинетических, энергетиче-ских и сорбционных свойств угля, и на системе критериев. Полученные результаты поз-воляют более точно подобрать способ предотвращения опасных динамических явлений, сократив временные и материальные затраты на его осуществление, а также снизить риск получения ущерба от произошедших газодинамических явлений. Это соответствует Стра-тегии научно-технического развития Российской Федерации в части повышения эффек-тивности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья.