Численные исследования влияния изменений напряженнодеформированного состояния углепородного массива на устойчивость дегазационных скважин

Представлены результаты исследований по оценке влияния высокоинтенсивной отработки газоносных угольных пластов в сложных горно-геологических условиях на эффективность работы систем дегазации выемочного участка. На основе данных шахтных наблюдений подтверждены факты роста локального газовыделения из углепородного массива, вызванного повышением коллекторских свойств горных пород под воздействием процессов пучения. Показано, что указанные деформационные процессы также существенно влияют на устойчивость дегазационных скважин, в первую очередь на участках их пересечений со слоями слабых водонасыщенных пород. По результатам натурных исследований сделан вывод о необходимости учета такого влияния при оценке функционального состояния дегазационных скважин. Описано построение схемы компьютерного моделирования изменений напряженно-деформированного состояния слоистого углепородного массива, включающего дегазационную скважину, при различных положениях очистного забоя. Для условий шахты им. С.М. Кирова АО «СУЭК-Кузбасс» проведены численные эксперименты методом конечных элементов в программном комплексе (ПК) Plaxis. Для реализации нелинейного характера деформирования углепородного массива использована упругопластическая модель Кулона-Мора. Обоснована целесообразность проведения корректировки схем дегазации для выемочных участков угольных шахт с условиями отработки, аналогичным рассматриваемым.

Блохин Д. И., Закоршменный И. М., Кубрин С. С., Кобылкин А. С., Поздеев Е. Э., Пушилин А. Н. Численные исследования влияния изменений напряженнодеформированного состояния углепородного массива на устойчивость дегазационных скважин // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2023. – № 11. – С. 17–32. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_11_0_17.

Блохин Дмитрий Иванович¹ — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, e-mail: dblokhin@yandex.ru, ORCID ID: 0000-0002-4652-661X,
Закоршменный Иосиф Михайлович¹ — д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: iosif-54@mail.ru, ORCID ID: 0000-0001-9153-673X,
Кубрин Сергей Сергеевич¹ — д-р техн. наук, зав. лабораторией, e-mail: s_kubrin@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-0490-9065,
Кобылкин Александр Сергеевич¹ — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, e-mail: aleksandr@kobylkin.ru, ORCID ID: 0000-0002-1512-890X,
Поздеев Евгений Эдуардович — руководитель направления, Департамент по цифровизации и автоматизации угольного дивизиона, ООО «Цифровые Технологии и Платформы», e-mail: pozdeevee@suek.ru,
Пушилин Андрей Николаевич — старший научный сотрудник, e-mail: apushilin@yandex.ru, НИИОСП им. Н.М. Герсеванова — структурное подразделение АО «НИЦ «Строительство»,
¹ Институт проблем комплексного освоения недр РАН.

Блохин Д.И., e-mail: dblokhin@yandex.ru.

1. Сластунов С. В., Ютяев Е. П., Мазаник Е. В., Садов А. П., Понизов А. П. Обеспечение метанобезопасности шахт на основе глубокой дегазации угольных пластов при их подготовке к интенсивной разработке // Уголь. — 2019. — № 7. — С. 42—47. DOI: 10.18796/ 0041-5790-2019-7-42-47.

2. Сластунов С. В., Коликов К. С., Садов А. П., Хаутиев А. М.-Б., Комиссаров И. А. Обеспечение безопасной и интенсивной разработки газоносных угольных пластов на основе их комплексной дегазационной подготовки // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 2. — С. 152—166. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_ 2_0_152.

3. Баловцев С. В., Скопинцева О. В., Куликова Е. Ю. Иерархическая структура аэрологических рисков в угольных шахтах // Устойчивое развитие горных территорий. — 2022. — Т. 14. — № 2. — С. 276—285. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-2-276-285.

4. Баловцев С. В. Аэрологические риски высших рангов в угольных шахтах // Горные науки и технологии. — 2022. — Т. 7. — № 4. — С. 310—319. DOI: 10.17073/2500-06322022-08-18.

5. Закоршменный И. М., Кубрин С. С. Оценка рисков нарушения технологических процессов в очистном забое по фактору проветривания // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № S65. — С. 38—46. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-1265-38-46.

6. Kopylov K. N., Kubrin S. S., Blokhin D. I. The simulation of the excavation sites of coal mines / Mining Goes Digital — Proceedings of the 39th international symposium on Application of Computers and Operations Research in the Mineral Industry. London: Taylor & Francis Group. 2019, pp. 473—480. DOI: 10.1201/9780429320774-54.

7. Шинкевич М. В., Плаксин М. С. Связь геомеханики и метанообильности выработок при ведении подземных горных работ // Вестник Кузбасского государственного технического университета. — 2017. — № 5. — С. 15—24. — DOI: 10.26730/1999-4125-2017-5-15-23.

8. Захаров В. Н., Шляпин А. В., Трофимов В. А., Филиппов Ю. А. Изменение напряженно-деформированного состояния углепородного массива при отработке угольного пласта // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 9. — С. 5—24. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-9-0-5-24.

9. Смирнов А. В., Захаров В. Н., Харченко А. В. Геомеханическая модель процесса вспучивания пород почвы в выработках угольных шахт // Горный журнал. — 2017. — № 11. — С. 33—36. DOI: 10.17580/gzh.2017.11.06.

10. Казанин О. И., Сидоренко А. А., Ильинец А. А., Васильев В. Ф. Численные исследования пучения почвы штреков при применении разгрузочных щелей на шахте «Талдинская-Западная 2» // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2018. — № 3. — С. 179—187.

11. Джиоева А. К., Бригида В. С. Пространственная нелинейность динамики метановыделения в подземных скважинах для устойчивого развития геотехнологий // Записки Горного института. — 2020. — Т. 245. — С. 522—530. DOI: 10.31897/PMI.2020.5.3.

12. Zhai J., Liu D., Li G., Wang F. Floor failure evolution mechanism for a fully mechanized longwall mining face above a confined aquifer // Advances in Civil Engineering. 2019, vol. 2019, аrticle 8036928. DOI: 10.1155/2019/8036928.

13. Malkowski P., Ostrowski L., Stasica J. Modeling of floor heave in underground roadways in dry and waterlogged conditions // Energies. 2022, vol. 15, no. 12, article 4340. DOI: 10.3390/ en15124340.

14. Трубецкой К. Н., Иофис М. А., Есина Е. Н. Особенности геомеханического обеспечения освоения месторождений, склонных к газодинамическим явлениям // Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2015. — № 3. — С. 64—71. DOI: 10.1134/S1062739115030114.

15. Забурдяев В. С., Новикова И. А., Сметанин В. С. Эффективность дегазации выемочных участков при отработке сближенных угольных пластов на шахте им. С.М. Кирова (ОАО «СУЭК-Кузбасс») // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. — № 10. — С. 13—19.

16. Бригида В. С., Голик В. И., Дмитрак Ю. В., Габараев О. З. Обеспечение устойчивоcти подрабатываемых наклонных дегазационных скважин при интенсивной разработке свит газоносных угольных пластов // Записки Горного института. — 2019. — Т. 239. — С. 497—501. DOI: 10.31897/PMI.2019.5.497.

17. Бригида В. С., Голик В. И., Дмитрак Ю. В., Габараев О. З. Учет влияния ситуационных геомеханических условий для совершенствования дегазации подрабатываемого массива горных пород // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2019. — № 2. — С. 279—288.

18. Захаров В. Н., Трофимов В. А., Филиппов Ю. А., Шляпин А. В. О дегазации углепородного массива в кровле отрабатываемого угольного пласта // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 11. — С. 20—36. DOI: 10.25018/0236_ 1493_2022_11_0_20.

19. Zhao X., Wang J., Mei Y. Analytical model of wellbore stability of fractured coal seam considering the effect of cleat filler and analysis of influencing factors // Applied Sciences. 2020, vol. 10, no. 3, article 1169. DOI: 10.3390/app10031169.

20. Hawkes C. D. Assessing the mechanical stability of horizontal boreholes in coal // Canadian Geotechnical Journal. 2011, vol. 44, no. 7, pp. 797—813. DOI: 10.1139/t07-021.

21. Трофимов В. А., Кубрин С. С., Филиппов Ю. А., Харитонов И. Л. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния вмещающего массива и пологого мощного угольного пласта при завершении отработки выемочного столба // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 8. — С. 42—56. DOI: 10.25018/02361493-2019-08-0-42-56.

22. Brinkgreve R. B. J., Bakker H. L. Non-linear finite element analysis of safety factors / Proceedings of the 7th International Conference on Computer Methods and Advances in Geomechanics, Cairns, Australia, 1991, pp. 1117—1122.

23. Sas I. E., Cherepetskaya E. B., Pavlov I. A. Solving problems in geomechanics: Comparison of the Fidesys strength analysis system and the Plaxis software package // Key Engineering Materials. 2017, vol. 755, pp. 328—332. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.755.328.

24. Кобылкин С. С., Пугач А. С. Методика прогноза горных ударов и выбора безопасного направления фронта очистных работ // Горные науки и технологии. — 2022. — № 7(2). — С. 126—136. DOI: 10.17073/2500-0632-2022-2-126-136.

25. Wongchana P., Jitsangiam P. Experimental investigation and modelling of claystone from Mae Moh Coal Mine, Thailand // Key Engineering Materials. 2020, vol. 841, pp. 155—160. DOI: 10.4028/www.scientific.net/kem.841.155.