Актуальность темы
Из мирового опыта известно, что основным фактором снижения опасности газопроявлений при проведении подготовительных выработок является их своевременное и надежное прогнозирование, но его выполнение затрудняется существенным разнообразием горногеологических условий и значимым влиянием переменных технологических параметров горнопроходческих работ. В условиях роста скоростей подвигания забоев повышаются требования к оперативности и точности оценки условий безопасного подвигания.
Наблюдающаяся в последнее десятилетие тенденция к закрытию шахт не снижает остроты отмеченных задач. Одним из направлений их решения является обеспечение оперативности и непрерывности предвидения следствий технологических решений на основе совершенствования физических и математических моделей рассматриваемых процессов.
При интенсификации подземных горных работ актуальность темы резко возрастает. Изменится динамика реакции углегазового пласта на технологические возмущения и станет неизбежным переход на непрерывные бесконтактные с забоем методы оценки состояния пласта. Это потребует существенного совершенствования известных моделей имитации газогеомеханического состояния пласта и аэрогазодинамики выработки при переменных горногеологических условиях в окрестности забоя и динамичных режимах его подвигания.
Перевод существующих систем контроля и хранения газогеомеханиче-ской и аэрогазодинамической информации на качественно новый уровеньпрогнозирование реакции газоносного пласта в окрестности движущегося забое — так же сдерживается отсутствием достаточно адекватных модельных реализаций. Учитывая современное оснащение поставляемых на шахты автоматизированных систем, следует признать, что в ближайшие годы основным объектом контроля останется рудничная атмосфера. Следовательно, при оценки степени адекватности моделей целесообразно ориентироваться на возможности соответствующих систем мониторинга.
Таким образом, разработка математической модели газогеомеханических и аэрогазодинамических процессов при проведении подготовительной выработки является актуальной и весьма перспективной научной задачей.
Работа выполнялась в соответствии с Приоритетными направлениями фундаментальных исследований РАН (п. 4.1.18, Геоинформатика) — планами НИР Института угля и углехимии СО РАН на 1997 -99 гг. (Тема. «Научное обоснование и сопровождение процессов реструктуризации угольной промышленности в условиях перехода к рынку и децентрализации управления». Работа. 10.1.6. «Разработка пространственных моделей газогеомеханических процессов в массиве горных пород с переменными свойствами при ведении горных работ в угольных шахтах»).
Цель работы — математическое обеспечение автоматизированного контроля и прогноза газопроявлений при проведении подготовительной выработки на основе математического моделирования аэрогазодинамических процессов с учетом изменения напряженно-деформированного состояния приконтурной части пласта.
Основная идея работы заключается в использовании физической неразрывности процессов в приконтурной части пласта и проветриваемом объеме выработки для формирования ее комплексной модели на базе генетически связанных моделей напряженно-деформированного состояния приконтурной части пласта, аэрогазодинамических процессов в призабойном объеме и аэродинамики тупиковой части с целью оценки свойств и состояния пласта по кинетике газовыделения.
Задачи исследований: • уточнить функциональные зависимости между газовыделением из приза-бойной части пласта и его напряженно-деформированным состоянием (упругопластические деформации), а также возможными фазовыми переходами в состоянии углегазовой среды;
• с учетом полученных зависимостей разработать математическую модель газокинетических процессов в призабойной части пласта;
• разработать математическую модель аэрогазодинамических процессов в призабойном объеме подготовительной выработки;
• разработать математическую модель массопереноса по длине выработки с учетом переменных газопритоков из призабойного объема и бортов, а также утечек воздуха из трубопровода;
• разработать подход к интегрированию математических моделей участков подготовительной выработки в виде комплексной модели аэрогазодинамических и газогеомеханических процессов, протекающих при ее проведении;
Методы исследований: методы механики сплошной среды (статика) для описания напряженно-деформированного состояния приконтурной части пластаметоды математической физики для построения и обоснования элементов модели газокинетических процессов в призабойной части пласта и моделирования аэрогазодинамических процессов в призабойном объеме и тупиковой части выработкиметоды оптимизации для минимизации критерия рассогласования между модельным и реальным сигналами газовыделенияразностные и итерационные методы для численного решения дифференциальных уравненийметоды модульного и объектно-ориентированного программирования для программных реализаций разработанных моделейметоды математической статистики при исследовании аварийности подготовительных выработок на шахтах Кузбасса для обоснования актуальности данной работы. Защищаемые научные положения:
• уточнение математического описания зоны упруго-пластических деформаций приконтурной части пласта позволяет получить зависимость газовыделения в призабойный объем от нормальных напряжений в этой зоне;
• математическая модель газокинетических процессов в призабойной части угольного пласта, учитывающая его напряженно-деформированное состояние и изменчивость свойств и условий залегания по трассе проведения выработки устанавливает непосредственную связь между параметрами этих процессов и видом газопроявлений;
• моделирование скорости изменения концентрации метана в призабойном объеме выработки с учетом газокинетических процессов в призабойной части пласта и его напряженно-деформированного состояния определяет дополнительный критерий градиентной оценки аэрогазокинетической ситуации;
• введение газопритока из бортов в математическую модель массопереноса по длине выработки выявляет особенности аэрогазодинамики ее тупиковой части, в частности, участки повышенной концентрации метана, и создает возможность введения обратнйх связей для уточнения параметров модели в условиях существенной изменчивости свойств пласта по трассе выработки;
• модульный подход к формированию комплексной модели аэрогазодинамических и газогеомеханических процессов при проведении подготовительной выработки выявляет их генетическую связь в форме сочетания граничных условий отдельных модулей модели.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:
• корректностью сформулированных задач в результате использования их классических постановок и эволюции представлений о моделях состояния призабойной части угольного пласта;
• использованием, при уточнении модели газокинетических процессов в призабойной части пласта и построении модели аэрогазодинамики призабойного объема, решений классических уравнений математической физики — фильтрации и массопереноса;
• количественным сопоставлением результатов моделирования с фактическими данными, расхождение с которыми составило не более 10−20%.
Научная новизна работы заключается:
• в уточнении математического описания напряженно-деформированного состояния (НДС) приконтурной части пласта по модели проф. В. И. Мурашева и B.C. Черкасова на основе решения классического уравнения равновесного состояния среды;
• в разработке оригинальной математической модели газокинетических процессов в призабойной части пласта, учитывающей возможность существования в твердом состоянии и при снижении нормальных напряжений сублимирования части газовой компоненты среды;
• в дополнении математической модели аэрогазодинамики призабойного объема выработки зависимостью газопритока из бортов в этот объем от напряженно-деформированного состояния приконтурной части пласта;
• в разработке математической модели массопереноса по длине подготовительной выработки, с учетом переменного газовыделения из бортов и утечек воздуха из трубопроводов по всей ее длине, позволяющей выявлять возможные участки с повышенной концентрацией метана;
• в формировании комплексной модели аэрогазодинамических и газогеомеха-нических процессов при проведении подготовительной выработки, отдельные модули которой описывают соответствующие элементы изучаемых процессов и генетически связаны между собой физическими закономерностями.
Личный вклад автора состоит:
• в разработке алгоритмического подхода для расчета параметров зоны НДС призабойной части пласта на основе уточненной модели проф. В. И. Мурашева и B.C. Черкасова;
• в подтверждении приемлемости гипотезы проф. А. Т. Айруни о существовании твердых углегазовых растворов посредством ее использования в разработке математической модели газокинетических процессов в призабойной части пласта и сравнения модельных расчетов и реальных данных;
• в алгоритмизации и моделировании газокинетических процессов в приза-бойной части пласта при переменных режимах подвигания забоя;
• в разработке математической модели аэрогазодинамических процессов в призабойном объеме выработки с учетом газовыделения из ее бортов;
• в создании алгоритмического подхода к выявлению возможных участков выработки с повышенной концентрацией метана и, тем самым, обосновании мест размещения дополнительных стационарных датчиков системы мониторинга рудничной атмосферы;
• в разработке подхода к компоновке модулей комплексной модели, сохраняющего генетические связи между ее составными частями.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты позволяют:
• использовать разработанную комплексную модель в рамках автоматизированных систем компьютерного мониторинга рудничной атмосферы для придания им прогнозирующих свойств;
• адаптировать параметры комплексной модели к меняющимся горногеологическим условиям и технологическим параметрам горнопроходческих работ путем минимизации расхождения между модельным и реальным сигналами газовыделения;
• существенно снизить поток первичной информации к технологу и создать резерв времени для предварительного анализа принимаемых решений.
Реализация работы. Разработанные в процессе исследований методические и программные средства включены в состав программного комплекса адаптивной автоматизированной системы прогноза газопроявлений (АдАСП ГП), подготовленной к промышленной апробации. На основании данных моделирования в работе предложен ряд решений прикладных задач по повышению надежности способов нормализации и контроля газовой обстановки в выработках. Разработанный подход апробирован в условиях конвейерного штрека 511 шахты «Западная» (прогноз метанообильности в условиях неравномерных ю свойств пласта) и уклона № 3 шахты «Первомайская» (оценка выбросоопасно-сти).
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 1997), на Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки» (Кемерово, 1998), на Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию» (Кемерово, 1999), на VI Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (Новокузнецк, 1999). По результатам конкурса молодых ученых СО РАН 1999 г. работе автора «Разработка динамической модели геомеханических и аэрогазодинамических процессов при проведении подготовительной выработки» присуждена премия имени академика Н. В. Черского.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 работах.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав и заключение, изложена на 120 страницах, в том числе 2 таблицы, 29 рисунков, список используемой литературы из 63 наименований.
Основные выводы.
1. Расчеты, проведенные по уточненной модели описания НДС приконтурной части пласта, в которой вместо условия текучести Треска — Сен-Венана использовалось условие разрушения для зернистых структур с малым сцеплением по В. В. Ходоту, показали:
— изменение эпюр нормальных напряжений в зоне пластических деформаций, полностью определяется углом внутреннего трения и нормальными напряжениями на кромке пласта;
— эпюры характеризуются большей крутизной чем в оригинальной модели проф. В. И. Мурашева и B.C. Черкасова.;
— уменьшение размера зоны НДС, по сравнению с оригинальной моделью.
2.
Введение
в модель газокинетических процессов, учитывающей НДС призабойной части пласта, параметров, характеризующих газопроницаемость, трещинную пористость и газоприток при распада ТУГР, придает ей широкие возможности адаптации к меняющимся вдоль трассы выработки горногеологическим условиям. Расчеты, проведенные по модели, показали:
— развитие зоны газового дренирования подчиняется закону экспоненциального насыщения, т. е. хорошо аппроксимируется выражением вида L (x, t) = L0 (х) • (l — е~а (хУ'), где х — произвольная точка приконтурной части, t — время развития процесса с момента обнажения точки х, а параметры Ь0 (х), а (х) настраиваются на конкретные горногеологические условия путем минимизации рассогласования между модельным и реальными сигналами газовыделения;
— в случае, когда в модели не учитывается зависимость газопритока от распада ТУГР, происходит полное газоистощение зоны газового дренирования, что противоречит, регистрируемой на практике, остаточной газоносности этой зоны и косвенно подтверждает гипотезу проф. А. Т. Айруни о существовании твердых углегазовых растворов;
— характер спада газовыделения с вновь обнажаемой поверхности описывается экспоненциальным законом вида J (x, t) = J0(x)^e~m't, где параметры J0(x) и /?(х) настраиваются на конкретные горногеологические условия путем минимизации рассогласования между модельным и реальными сигналами газовыделения—.
— характер изменения газовыделения из обнажаемой поверхности описывается композицией дискретного ряда экспонент, смещаемых во времени со скоростью обнажения поверхности.
3. Решение задачи аэрогазодинамических процессов в последовательно равнонаращиваемом призабойном объеме показало:
— за три временных шага происходит почти полное (94%) перемешивание метановоздушной смеси во всем призабойном объеме;
— временной шаг или период съема данных с сигнала газовыделения должен быть пропорционален призабойному объему и обратно пропорционален утроенной скорости потока в этом объеме.
5. Решение задачи массопереноса по длине выработки разностными методами прямым и обратным ходом (реальные сигналы газовыделения в призабойный объем и в устье выработки поочередно использовались в качестве граничных условий) приводит к устойчивому результату. Рассогласование между реальным и модельным сигналами лежит в пределах точности замеров датчиками концентрации метана и не превышает 10−20%.
6. Из решения задачи массопереноса по длине выработки следует, что повышенное газовыделение из некоторого участка бортов выработки приводит к образованию устойчивой локальной зоны с повышенной концентрацией метана. Перераспределение утечек воздуха выравнивает распределение концентраций метана по длине выработки, в частности, увеличение утечек на интервалах, прилегающих к образовавшейся локальной зоне, приводит к ее устранению.
7. Формирование комплексной модели представляет из себя многосложный процесс, заключающийся, во-первых, во взаимоувязке моделей отдельных участков выработки, во-вторых, в итерационной процедуре настройки параметров моделей на реальные сигналы газовыделения и, в третьих, в прогнозе и контроле газопроявлений и распределения концентраций метана вдоль выработки в процессе каждого технологического цикла.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих трудах:
1. Г. Я. Полевщиков, В. Т. Преслер, A.B. Гарнага. Адаптивный автоматизированный прогноз газопроявлений на выемочном участке/ТПриродные и интеллектуальные ресурсы Сибири: Тезисы докладов Международной научно-практической конференции. -Кемерово, 1997. -С. 112— 116.
2. В. Т. Преслер, A.B. Гарнага. Программно-техническая основа компьютеризации системы контроля рудничной атмосферы//Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: Тезисы докладов Международной научно-практической конференции. -Кемерово, 1997. -С. 116−120.
3. Г. Я. Полевщиков, В. Т. Преслер, A.B. Гарнага. Автоматизация контроля и прогноза газопроявлений в угольных шахтах//Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки: Труды Международной научно-практической конференции. -Кемерово, 1998. -С. 158−159.
Ill.
4. В. Т. Преслер, A.B. Гарнага. Компьютерные технологии контроля газодинамической опасности в угольных шахтах//Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию. Труды Международной научно-практической конференции. Т.2. -Кемерово, 1999. -С. 150−156.
5. В. Т. Преслер, A.B. Гарнага. Динамическая модель подготовительной выработки в системе мониторинга угольных шахт//Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию: Труды Международной научно-практической конференции. Т.2. -Кемерово, 1999. -С. 210−220.
6. В. Т. Преслер, A.B. Гарнага. Информационно-графический подход к автоматизации методов текущего прогноза газодинамической активности пласта//Перспективы развития горнодобывающей промышленности: Материалы VI Международной научно-практической конференции. -Новокузнецк, 1999.-С. 11−14.
7. В. Т. Преслер, A.B. Гарнага. Информационные и графические технологии в рамках адаптивных автоматизированных систем прогноза и контроля газопроявлений в угольных шахтах//Перспективы развития горнодобывающей промышленности: Материалы VI Международной научно-практической конференции.-Новокузнецк, 1999.-С. 14−17.
8. В. Т. Преслер, В. Н. Крутиков, A.B. Гарнага. Основные подходы к проектированию информационной модели углегазового месторождения//Опыт и перспективы наукоемких технологий в угольной промышленности Кузбасса: Труды научно-технической конференции. -Кемерово, 1998. -С. 158−165.
9. Г .Я. Полевщиков, A.B. Гарнага. Оценка опасности динамических газопроявлений при проведении подготовительных выработок//Безопасность труда в промышленности. -1999. -№ 3. -С. 30−32.
10.Г. Я. Полевщиков, В. Т. Преслер, A.B. Гарнага, E.H. Козырева. Перспективы совершенствования динамических моделей состояния призабойной части.
112 пласта//Уголь и углехимия: Сборник научных трудов. -Кемерово, 1999 г. -С.
87−92.
11.Г. Я. Полевщиков, В. Т. Преслер, A.B. Гарнага. Адаптивные системы прогноза — качественно новый уровень в развитии мониторинга рудничной атмосферы//Уголь и углехимия: Сборник научных трудов. -Кемерово, 1999. -С. 109−114.
12.Г. Я. Полевщиков, A.B. Гарнага. Автоматизированный контроль газодинамической опасности при проведении выработок по угольным пластам//Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. Препринт метанового центра. -1998. -№ 1, Апрель. -С. 12−15.
13.Г. Я. Полевщиков, В. Т. Преслер, A.B. Гарнага. Динамическое моделирование газопроявлений при проведении выработок по газоносным пластам//Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. Препринт метанового центра. -1998. -№ 2, Август. -С. 12−17.
14.Г. Я. Полевщиков, В. Т. Преслер, A.B. Гарнага. Аналитическая оценка перспективности гидроогневой дегазации угольных пластов//Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование. Препринт метанового центра. -1997. -№ 1, Апрель. -С. 8−13.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе содержится решение задачи математического моделирования аэрогазодинамических процессов, с учетом напряженно-деформированного состояния приконтурной части пласта при проведении подготовительной выработки, имеющей существенное значение для оперативного прогнозирования газовой обстановки и выбора адекватных технологических решений на основе показаний датчиков системы мониторинга рудничной атмосферы.
