Создание многофункциональных систем мониторинга и прогноза газодинамических явлений, контроля напряженного состояния, разработка методов их предотвращения и оценки эффективности при подземной разработке угольных месторождений. 2024-2025 гг.

По причине долгой регистрации РИД в системе ЕГИСУ, в данной форме не заполнено поле "Выявленные Результаты Интеллектуальной Деятельности". По данное теме создано 6 РИД. Научный результат проекта относится к приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в РФ – Рациональное природопользование. Объекты исследования: газонасыщенный углепородный массив с высокой анизотропией содержания легких изотопов углерода шахтного метана; трещина гидроразрыва в угольном пласте; методы гидрообработки массива, прогноза геодинамических явлений и контроля эффективности гидрообработки угольных пластов; проба угля, отобранная в изолированном от атмосферы выработки режиме. Цель работы – создать научно-методические основы прогнозирования опасных динамических явлений, многофункциональные системы мониторинга и прогноза газодинамических явлений, контроля напряженного состояния и методов их предотвращения, выполнить экспериментальные исследования кинетики метановыделения в горные выработки и коллекторских свойств углепородных массивов для обеспечения безопасной подземной разработки газоносных угольных пластов; разработать метод оперативного определения газоносности и газодинамической реакции высокогазоносных угольных пластов с применением новых технических средств отбора проб в изолированном (от атмосферы выработки) режиме. Для достижения поставленной цели проекта и развития ранее выполненных работ сформированы основные задачи этапа 2024 года: - разработать полуэмпирическую модель газовыделения из угольного пласта, учитывающую результаты натурных исследований коллекторских свойств угольного пласта на основе применения усовершенствованного метода определения проницаемости горных пород, а также регистрации содержания легких изотопов углерода в пробах метана, отобранных из шахтной атмосферы и угольных пластов; - обосновать возможность развития трещин гидроразрыва от параметров массива и технологии гидрообработки; - обосновать связь параметров акустической эмиссии с фильтрационно-коллекторскими свойствами угля и гидравлическими параметрами насосной установки; - разработать рекомендации по технологии осуществления поинтервального гидроразрыва угольных пластов; - обосновать возможность контроля изменения напряженного состояния угольного массива в результате его гидрообработки спектрально-акустическим методом; - разработать способ определения параметров газовыделения из угля, разрушаемого в изолированном (от атмосферы выработки) режиме в условиях меняющегося напряженного состояния массива. Методы исследования: анализ литературных источников по прогнозу и предотвращению газодинамических явлений; методы изотопии углерода шахтного метана при моделировании газовыделения из угольного пласта с учетом содержания углерода-12 и углерода-13 в рудничной атмосфере и угле, проведение численных экспериментов; метод акустической эмиссии и спектрально-акустический метод для контроля процесса развития трещин в массиве и оценки изменения его напряженного состояния; моделирование напряженно-деформированного состояния призабойной части газонасыщенного пласта впереди забоя одиночной выработки; метод прямого измерения газокинетических показателей с момента разрушения угля до герметизации проб в пробоотборнике; инновационный горно-экспериментальный метод, включающий отбор пластовых проб из горных выработок. Разработанная модель развития трещины гидроразрыва объединяет модель геомеханического состояния углепородного массива, вмещающего анизотропный по прочности угольный пласт, отрабатываемый очистной выработкой, концепцию Гриффитса – Ирвина хрупкого разрушения твёрдых материалов и уравнения движения вязкой жидкости по Пуазейлю. Краткая характеристика основных результатов 2024 г. Разработана полуэмпирическая модель газовыделения из угольного пласта, в рамках которой предложен и опробован оригинальный подход к оценке зоны влияния углепородного массива на очистной забой по газовому фактору, основанный на изучении изотопии шахтного метана. Установлено количественное соотношение изотопов углерода метана в угольных пробах и рудничной атмосфере в условиях действующих шахт Кузбасса. Определены геометрические параметры рассматриваемых зон, а также предельное значение объема метана, которое оказывает влияние на газовый баланс выемочного участка. Показано существенное отличие объема газа и параметров зоны миграции метана при общепринятом и комплексном подходах с применением метода оценки изотопного состава углерода метана в рудничной атмосфере и угле рабочего горизонта. Рассмотрены процессы метаногенеза и метанотрофии анаэробных бактерий и их влияния на метанообильность угольных шахт. Представлены описание численной модели генезиса биогенного метана, результаты оценки его динамики и влияния на общее содержание шахтного метана в рудничной атмосфере. Обоснована возможность развития трещин гидроразрыва от параметров массива с разработкой математической модели развития трещины гидроразрыва в угольном пласте и порядок её применение для эффективного использования при дегазации пласта. Построены эпюры опорного давления в краевой зоне пласта, траектории трещины гидроразрыва, проведён анализ влияния глубины отработки пласта, размеров выработанного пространства, параметров насосного оборудования на длину и направление траектории трещины. Обоснована связь параметров акустической эмиссии с фильтрационно-коллекторскими свойствами угля и гидравлическими параметрами насосной установки, обоснована зависимость активности акустической эмиссии от времени нагнетания с учетом фильтрационно-коллекторских свойств угля и гидравлических параметров насосной установки. Обоснован метод определения наиболее приемлемого для конкретного участка угольного пласта способа профилактической гидрообработки и его оптимальных параметров на основе данных мониторинга процесса гидрообработки акустико-эмиссионным методом. Обоснована возможность контроля изменения напряженного состояния массива в результате его гидрообработки спектрально-акустическим методом. Разработаны рекомендации по технологии осуществления поинтервального гидроразрыва угольных пластов в качестве регионального способа повышения эффективности дегазации пласта; поинтервальный гидроразрыв выполняется из необсаженных дегазационных скважин, трещины в пласте формируются с помощью разрывного устройства. Предложена последовательность действий по осуществлению поинтервального гидроразрыва, включающая определение необходимого объема, темпа и времени нагнетания жидкости, измерения фоновой активности акустической эмиссии при неработающей насосной установке, проведение опытной закачки жидкости с контролем активности акустической эмиссии, которая должна соответствовать определенной области значений. Обоснована возможность контроля изменения напряженного состояния угольного массива, вызванного его гидрообработкой, путем сравнения спектров акустического воздействия работающим оборудованием на массив до и после гидрообработки. Разработана инновационная методика проведения натурных исследований газовыделения из угольного пласта с момента его разрушения, исключающая потери газа в процессе отбора проб, и позволяющая уточнять изменения напряженно-деформированного состояния призабойной части газонасыщенного пласта одиночной выработки с учетом времени с момента обнажения забоя, глубины отработки, темпов подвигания и сечения выработки. Разработан способ и алгоритм определения основных параметров газовыделения из угольного пласта при проведении подготовительной выработки: объема выделившегося газа, начальной скорости и коэффициента затухания газовыделения по мере роста глубины бурения шпура. 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 параметров газовыделения из угольного пласта, эффективности прогноза и предотвращения газодинамических явлений при проведении очистных и подготовительных выработок, обеспечения нормальной шахтной атмосферы при подземной разработке угольных месторождений. Значимость результатов научного исследования для приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации заключается в повышении безопасности ведения горных работ при разработке высокогазоносных месторождений угля подземным способом. В рамках разработанной модели развития трещины гидроразрыва показана связь поля напряжений в отрабатываемом угольном пласте, давления в жидкости в насосной установке с параметрами траектории трещины гидроразрыва (длиной и отклонением от направления зародышевой трещины). Определены соотношения между компонентами поля напряжений. Показано, что рост трещины гидроразрыва существенно зависит от расположения инициирующей трещины относительно максимума опорного давления и существенно зависит от этого фактора. Установлены также положения инициирующей трещины относительно кромки пласта, при которых траектория трещины гидроразрыва распространяется прямолинейно и совпадает с направлением инициирующей трещины. Метод определения наиболее приемлемого для конкретных условий способа гидрообработки массива и его оптимальных параметров по результатам контроля процесса нагнетания акустико-эмиссионным методом позволяет оперативно подобрать наиболее эффективный способ гидрообработки для конкретного участка массива. Установленные зависимости спектра «шума» работающего оборудования от акустических свойств пласта, горного давления и расстояния между источником и приемником «шума» являются основанием для совершенствования технологии спектрально-акустического метода контроля напряженного состояния углепородного массива.