Проницаемость угольных пластов — физический параметр горных пород, характеризующий способность угольного массива пропускать газ (преимущественно метан) через систему естественных трещин — кливажа. Величина проницаемости определяет эффективность дегазации, интенсивность газовыделения при ведении горных работ, а также уровень безопасности шахтёрских выработок.
Физические основы Угольная матрица обладает свойством набухать при адсорбции газа и сжиматься при десорбции. В процессе десорбции метан диффундирует через угольную матрицу в систему кливажа, которая служит основным каналом фильтрации. Различают:
эндогенный кливаж — формируется в процессе углефикации, связан с изменением вещественного состава углей при генезисе; экзогенный кливаж — обусловлен тектоническими процессами (складкообразованием, разломами).
Проницаемость угля по трещинам кливажа составляет от 0,001 до 100 мД, в то время как проницаемость микроблоков угольной матрицы измеряется единицами микродарси или нанодарси.
Факторы, влияющие на проницаемость На напряжённо-деформированное состояние угольного пласта и, как следствие, на его проницаемость влияют:
коэффициент бокового распора (определяет горизонтальные напряжения в массиве); глубина залегания пласта; физико-механические свойства вмещающих пород; структурные неоднородности (трещиноватость, зоны разломов); сорбционно-кинетические свойства угля (газонасыщенность, давление газа, температура).
Сорбционные деформации угля, вызванные изменением количества адсорбированного газа, вносят дополнительный вклад в изменение трещинной проницаемости. В линейно-упругом приближении эти эффекты описываются обобщённым законом упругости, модифицированным для включения сорбционных напряжений.
Математическое описание Абсолютная проницаемость системы кливажа обычно описывается уравнением Шейдейгера:
где — эффективная гидравлическая ширина трещины, — размер грани кубической ячейки матрицы. Изменение проницаемости при изменении раскрытия трещин часто аппроксимируется кубическим соотношением:
Эффективное напряжение, управляющее деформацией трещин, определяется через поровое давление с использованием коэффициента Био.
Модели проницаемости Существует несколько эмпирических и аналитических моделей, связывающих проницаемость угля с напряжённо-деформированным состоянием. Наиболее известные из них: МодельГодОсобенностиРекомендуемые условия примененияSomerton — Gray1975 / 1987Экспоненциальная зависимость от эффективного напряжения, учитывает только механическое сжатие порового пространстваБазовые оценки, стартовая модель для сравненияSeidle1992Явный учёт сорбционных деформаций; параметр чувствительности Пласты с высокими сорбционными эффектами (метан, CO₂)Palmer — Mansoori1998Комбинированное влияние сорбции и температуры; параметр компенсации Глубокие пласты (глубины > 1000 м), значительный геотермический градиентShi — Durucan2004Связь с изменением пористости; степенной показатель Массивы с изменчивой структурой порового пространстваКаркашадзе — Хаутиев2015Учёт модуля упругости и его изменения с напряжениемУсловия с изменчивыми физико-механическими свойствами угля Численное моделирование в диапазоне эффективных напряжений 0-50 МПа (глубины до 1500 м) показывает, что, несмотря на различия, все модели демонстрируют общую нелинейную тенденцию снижения проницаемости с ростом напряжений. Наиболее интенсивное падение проницаемости наблюдается в интервале 5-15 МПа, что связывают с активным закрытием трещин кливажа. На глубинах свыше 1000 м изменение проницаемости стабилизируется в связи с исчерпанием деформационного потенциала трещинной структуры.
Практическое значение Модели проницаемости применяются при:
проектировании систем дегазации угольных пластов; расчёте метанообильности горных выработок; построении трёхмерных геомеханических и фильтрационных моделей углепородных массивов; оценке рисков газодинамических явлений (внезапные выбросы угля и газа).
Выбор конкретной модели зависит от геомеханических условий: модель Seidle (1992) предпочтительна при доминировании сорбционных деформаций, модель Palmer & Mansoori (1998) — для глубоких пластов с изменчивой пористостью, модель Каркашадзе и Хаутиева (2015) — для учёта упругих свойств пород.
Примечания
Литература
Категория:Ископаемый уголь