Для планирования дегазации шахт и оценки рисков, связанных с метановыделением, российские исследователи выявили модели, которые наиболее эффективны для оценки проницаемости угольных пластов при изменении действующих напряжений.
Проницаемость показывает, насколько легко газ или жидкость могут перемещаться через горную породу. Для угольных пластов этот показатель особенно важен: от него зависит эффективность удаления метана перед началом горных работ и во время добычи. Если проницаемость оценена неправильно, это может привести к снижению эффективности дегазации и увеличению рисков опасных газодинамических процессов в шахтах.
При этом угольный пласт нельзя рассматривать как однородный материал. В нём есть поры и система естественных трещин, так называемый кливаж. Именно через эти трещины в основном происходит движение газа. При увеличении действующих напряжений трещины могут закрываться, и проницаемость снижается. При уменьшении нагрузки, наоборот, они могут раскрываться. Дополнительно на состояние угля влияет взаимодействие с газом: при адсорбции газа угольная матрица набухает, а при десорбции — усаживается.
Чтобы понять, как эти процессы учитывать при расчётах, исследователи НИТУ МИСИС совместно с экспертами Геофизического центра РАН и АО «СУЭК-Кузбасс» рассмотрели пять существующих моделей проницаемости: одни учитывают прежде всего сжатие порового пространства и трещин, другие — изменение свойств угля при поглощении и выделении газа, пористость или механические характеристики породы.
«Универсальной модели, одинаково подходящей для всех угольных пластов, нет. Её выбор должен зависеть от глубины залегания пласта, диапазона нагрузок, строения системы трещин, насыщенности угля газом и характера деформаций. Такой подход позволяет учитывать реальные особенности конкретного горного массива, а не использовать одну и ту же зависимость для разных условий», — сказал д.т.н. Константин Коликов, заведующий кафедрой безопасности и экологии горного производства НИТУ МИСИС.
Для сравнения учёные провели серию численных расчётов. Они рассмотрели эффективные напряжения от 0 до 50 МПа и глубины до 1500 метров, а также оценили, чувствительность моделей к изменению ключевых параметров — в том числе пористости и деформации, возникающей при взаимодействии угля с газом. Вывод был одинаков: с увеличением нагрузки проницаемость угольного пласта уменьшается нелинейно. В выполненных расчетах наиболее заметное снижение происходит при эффективных напряжениях около
Исследователи показали, что модель Зайдела подходит больше всего при необходимости учитывать сорбционные деформации угля. Подход Палмера и Мансури применим для глубоких пластов, где существенны изменения пористости, а модель Каркашадзе и Хаутиева позволяет учитывать влияние упругих свойств горного массива. Подробности исследования описаны в научном журнале «Горные науки и технологии» (Mining Science and Technology, Q1).
Полученные результаты могут быть использованы при создании 3D-моделей угольных месторождений, которые применяются для оценки эффективности дегазации, прогнозирования поведения газа в пласте и выбора параметров дренажных скважин. По мнению авторов, корректный выбор модели позволяет снизить неопределённость при проектировании систем дегазации и более обоснованно выбирать параметры размещения и работы дегазационных скважин.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект №
