Сравнительный анализ моделей зависимости фильтрационных свойств угля от напряженно-деформированного состояния массива
Автор: Маневич А.И., Коликов К.С., Ледяев Н.В., Лосев И.В., Акматов Д.Ж., Шевчук Р.В.
Журнал: Горные науки и технологии @gornye-nauki-tekhnologii
Рубрика: Свойства горных пород. Геомеханика и геофизика
Статья в выпуске: 1 т.11, 2026 года.
Бесплатный доступ
Проницаемость угольных пластов - ключевой параметр, определяющий эффективность дегазации, интенсивность метановыделения и безопасность горных работ. Поскольку проницаемость снижается с глубиной и критически зависит от напряжённо-деформированного состояния, для её прогноза необходимы модели, способные адекватно описывать взаимодействие сорбционных деформаций, пороупругих эффектов и механизма закрытия трещин. В связи с отсутствием унифицированного подхода к оценке проницаемости в условиях сложного НДС целью данной работы стали систематизация и сопоставление основных эмпирических и аналитических моделей этой зависимости. Для этого был выполнен аналитический обзор моделей, учитывающих сорбционно-упругие деформации, изменение пористости, влияние эффективного давления, термоупругие эффекты и параметры кливажа. Сопоставление моделей проведено путём численного моделирования изменения проницаемости в диапазоне эффективных напряжений 0-50 МПа и на глубинах до 1500 м. В модели были включены такие параметры, как коэффициент Био, модуль деформации, сорбционная сжимаемость, начальная проницаемость и геометрические характеристики трещин. Результаты вариационных расчётов показали, что несмотря на различия все модели демонстрируют общую тенденцию к нелинейному уменьшению проницаемости с ростом эффективного напряжения. Это отражает физические процессы сжатия порового пространства и закрытия трещин. Установлено, что наиболее интенсивное снижение проницаемости происходит в интервале 5-15 МПа, соответствующем активному закрытию трещин кливажа, тогда как на глубинах свыше 1000 м изменение проницаемости стабилизируется из-за исчерпания потенциала деформации трещинной структуры. Таким образом, анализ выявил различную чувствительность моделей к геомеханическим параметрам, причём влияние сорбционных деформаций оказалось сопоставимым с пороупругими эффектами. Выбор конкретной модели зависит от условий: для учёта сорбционных деформаций оптимальна модель Seidle (1992), для глубоких пластов с изменчивой пористостью - модель Palmer (1998), а для описания упругих деформаций - модель Каркашадзе и Хаутиева (2015). Полученные зависимости применимы для оценки природной проницаемости угольных пластов в ненарушенном массиве.
Угольный пласт, проницаемость, напряжённо-деформированное состояние, сорбционные деформации, эффективное давление, модели проницаемости, дегазация
Короткий адрес: https://sciup.org/140314964
IDR: 140314964 | УДК: 622.817.3 | DOI: 10.17073/2500-0632-2025-08-1015
Comparative Analysis of Coal Permeability Models Accounting for the Stress-Strain State of the Rock Mass
Coal seam permeability is a key parameter controlling degassing efficiency, the intensity of methane emission, and the safety of mining operations. As permeability decreases with depth and is critically dependent on the stress-strain state, its reliable prediction requires models capable of adequately describing the interaction between sorption-induced deformation, poroelastic effects, and fracture aperture closure mechanisms. Owing to the absence of a unified approach for permeability assessment under complex stress-strain conditions, the objective of this study was to systematize and compare the principal empirical and analytical models describing this dependence. To this end, an analytical review of models accounting for sorption-elastic deformation, porosity evolution, effective stress effects, thermoelastic behavior, and cleat system parameters was conducted. Model comparison was performed through numerical simulations of permeability variation over an effective stress range of 0-50 MPa and at depths of up to 1500 m. The models incorporated parameters such as the Biot coefficient, deformation modulus, sorption compressibility, initial permeability, and geometric characteristics of fractures. The results of the parametric calculations demonstrate that, despite conceptual differences, all models exhibit a common trend of nonlinear permeability reduction with increasing effective stress. This behavior reflects the physical processes of pore space compression and fracture aperture reduction. It was established that the most intensive permeability decline occurs within the effective stress range of 5-15 MPa, corresponding to active cleat closure, whereas at depths exceeding 1000 m permeability changes tend to stabilize due to exhaustion of the deformation potential of the fracture structure. Overall, the analysis revealed differing model sensitivities to geomechanical parameters, with the influence of sorption-induced deformation being comparable to that of poroelastic effects. Model selection is shown to be condition-dependent: the Seidle (1992) model is most suitable for accounting for sorption-induced deformation, the Palmer & Mansoori (1998) model for deep coal seams with variable porosity, and the Karkashadze & Hautiev (2015) model for describing elastic deformation effects. The derived relationships can be applied to assess the natural permeability of coal seams in undisturbed rock masses.
