Особенности математического моделирования фильтрации метана вблизи тектонических нарушений

Abstract

В статье рассмотрены вопросы изменения параметров фильтрации метана вблизи тектонических нарушений. Разработана математическая модель совместного протекания нестационарных связанных процессов упругопластического изменения напряженнодеформированного состояния трещиновато-пористой среды и фильтрации метана вокруг одиночной горной выработки в зоне тектонического нарушения. При этом учитывалось влияние соотношения компонент тензора главных напряжений на изменение проницаемости массива. Приведены распределения значений давления метана вокруг горной выработки и графики изменения проницаемости угольного пласта в различные моменты времени вблизи тектонического нарушения и в ненарушенной зоне угольного пласта. Показано, что за пределами нарушенной зоны фильтрация метана протекает в квазистационарном режиме, развязывание динамических процессов не происходит. В нарушенной зоне угольного пласта газовыделение в выработку увеличивается в 1,5-6,7 раз по сравнению с газовыделением за пределами нарушенной зоны. Глубина области фильтрации метана возрастает со временем в случае, ко гда выработка проводится по ненарушенному угольному пласту; при динамическом протекании геомеханических и фильтрационных процессов вблизи тектонических нарушений глубина области фильтрации на фронте разрушения значительно сокращается и ее рост возобновляется только при возврате от динамического к квазистационарному режиму фильтрации.

У статті розглянуті питання зміни параметрів фільтрації метану поблизу тектонічних порушень. Розроблено математичну модель спільного перебігу нестаціонарних зв'язаних процесів пружно-пластичної зміни напружено-деформованого стану тріщинуватопористого середовища та фільтрації метану навколо одиночної гірничої виробки в зоні тектонічного порушення. При цьому враховувався вплив співвідношення компонент тензораголовних напружень на зміну проникності масиву. Наведено розподіли значень тиску метану навколо гірничої виробки і графіки зміни проникності вугільного пласта в різні моменти часу поблизу тектонічного порушення і в непорушеній зоні вугільного пласта. Показано, що за межами порушеної зони фільтрація метану протікає в квазістаціонарному режимі, розв'язування динамічних процесів не відбувається. В порушеній зоні вугільного пласта газовиділення у виробку збільшується в 1,5-6,7 разів в порівнянні з газовиділенням поза межами порушеної зони. Глибина області фільтрації метану зростає з часом у випадку, коли виробка проводиться по непорушеному вугільному пласту; при динамічному протіканні геомеханічних і фільтраційних процесів поблизу тектонічних порушень глибина області фільтрації на фронті руйнування значно скорочується і її зростання поновлюється тільки при поверненні від динамічного до квазістаціонарного режиму фільтрації.

Issues of methane filtration parameters changing near the tectonic disturbances are considered in the article. A mathematical model was designed for simulating joint behaviour of the non-stationary coupled processes of elastoplastic stress-strain state changing in the fractured-porous medium and methane filtration around a single roadway in the tectonic disturbance zone. Effect of a ratio between the principal stress tensor components on rock permeability changing was taken into account. Distributions of values of methane pressure around the roadway and graphs of the coal seam permeability are shown in different time points near tectonic dislocation and non-disturbed zone in the coal seam. It is stated that methane filtration occurs in a quasi-stationary mode outside the broken area, and dynamic process are not further developed. In a disturbed zone of the coal seam, gas emission into the roadway increases by 1,5-6,7 times if compare with the gas emission outside the disturbed zone. Depth of methane filtration area increases with time when the roadway is advanced through the undisturbed coal seam; when geomechanical and filtration processes are developed dynamically near the tectonic dislocations depth of filtration area at the front of destruction significantly reduces; the depth continues to grow only after returning back from dynamic mode to the quasi-stationary mode of filtration.