Эволюция трещиноватости газонасыщенного угольного пласта при быстрой его разгрузке

Abstract

Цель исследования. Проанализировать, как влияют на развитие выброса начальная трещиноватость газонасыщенного угольного пласта и средний характерный поперечный пространственный размер (зияние) трещин, распределенных внутри угольного пласта, при быстрой его разгрузке. Meтодика исследования. Работа основана на теоретическом изучении, включая методы физической кинетики, а также содержит численный анализ эволюционных уравнений. Результаты исследования. Обнаружено, что при быстрой разгрузке угольного пласта средний характерный размер трещин нетронутого угольного пласта (в частности, их зияние) существенно влияет на характер развития трещиноватости, а начальная степень трещиноватости практически не сказывается на скорости ее эволюции. Показано, что трещины с малым зиянием не склонны к развитию, а, начиная с некоторых критических значений зияний, трещиноватость угольного пласта развивается взрывным образом. Научная новизна. Эволюция трещиноватости угольного пласта изучается на основе применения релаксационного уравнения Ландау-Халатникова для различных начальных условий. Практическая значимость. Предварительное исследование характера трещиноватости угольного пласта и, в особенности, среднего характерного поперечного размера (зияния) трещин позволяет предсказать, насколько быстро будет развиваться выброс при быстрой разгрузке угольного пласта.

Мета дослідження. Проаналізувати, як впливають на розвиток викиду початкова тріщинуватість газонасиченого вугільного пласта та середній характерний поперечний просторовий розмір (зяяння) тріщин, розподілених всередині вугільного пласта, при швидкому його розвантаженні. Meтодика дослідження. Робота базується на теоретичному вивченні, включаючи методи фізичної кінетики, а також містить чисельний аналіз еволюційних рівнянь. Результати дослідження. Виявлено, що при швидкому розвантаженні вугільного пласта середній характерний розмір тріщин незайманого вугільного пласта (зокрема, їх зяяння) істотно впливає на характер розвитку тріщинуватості, а початкова ступінь тріщинуватості практично не позначається на швидкості її еволюції. Показано, що тріщини з малим зяянням, не схильні до розвитку, а починаючи з деяких критичних значень зяянь тріщин тріщинуватість вугільного пласта розвивається вибуховим чином. Наукова новизна. Еволюція тріщинуватості вугільного пласта вивчається на основі застосування релаксаційного рівняння Ландау-Халатнікова для різних початкових умов. Практична значимість. Попереднє дослідження характеру тріщинуватості вугільного пласта і, особливо, середнього характерного поперечного розміру (зяяння) тріщин дозволяє передбачити, наскільки швидко буде розвиватися викид при швидкому розвантаженні вугільного пласта. Ключові слова: газонасичений вугільний пласт, тиск газоподібних флюїдів, напруга бічного розпору, коефіцієнт тріщинуватості, швидке розвантаження, викидонебезпечність вугільного пласта.

In this paper, the aim is to analyze how the initial fracturing of a gas-saturated coal seam and the average characteristic transverse size (gaping) of cracks distributed inside the coal seam, with its rapid unloading, will influence the development of the release. The system coal seam and gaseous fluids saturating it as a result of rapid unloading is in a state far from the state of thermodynamic equilibrium. To describe the relaxation of such a system to the state of thermodynamic equilibrium, the Landau – Khalatnikov relaxation equation is applied. The evolutionary equation for the fracturing coefficient of a coal seam is derived under the assumption that the filtration processes of methane from the coal seam can be neglected. The evolution of coal seam fracturing is studied taking into account changes in the pressure of gaseous fluids inside the fractures. The evolutionary equation is numerically solved for different values of the initial fracturing coefficient of the coal seam and for different initial values of the transverse dimensions of cracks randomly distributed in the coal seam. Evolutionary curves describing the development of coal seam fracturing coefficient are obtained. It was found that during the rapid unloading of a coal seam, the average characteristic transverse size of the cracks of an untouched coal seam (in particular, their gaping) significantly affects the nature of fracture development, and the initial degree of fracture hardly affects the rate of its evolution. It is shown that cracks with a small gap are not prone to development, and, starting with some critical values of the gapes, the fracturing of the coal seam develops in an explosive manner. Therefore, a preliminary study of the nature of the fracturing of the coal seam and, in particular, of the average characteristic transverse size (gaping) of the cracks, makes it possible to predict how quickly the ejection will develop when the coal seam is quickly unloaded.