CC BY
32
© А.И. Мороз, 2002
УДК 622.831
А.И. Мороз
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГАЗОНАСЫЩЕННОГО УГЛЯ В ЦИКЛЕ РАЗГРУЗКИ
|_|
| Іесмотря на продолжающиеся
исследования, организационно - технические мероприятия, направленные на обеспечение безопасности, надежности и строгого выполнения технологических процессов добычи и переработки полезных ископаемых почти ежегодно происходят шахтные катастрофы, продолжение которых, к сожалению, стало принимать систематический характер. Только в последнее десятилетие двадцатого века в российских угольных шахтах произошло 15 взрывов с общим числом пострадавших - 208 человек [1]. Автор отмечает, что возможными причинами возникновения взрывов могут являться одновременное взаимодействие угольной пыли, кислорода и поступающего в выработку метана, который находится в угольных пластах под давлением, со случайными искрообразующими очагами. За это же десятилетие последствия взрывов на украинских шахтах оказались более страшными, катастрофы унесли жизни 3700 горняков [2]
В разное время (в 19-20 веках) многими авторами [3-9] были исследованы формы взаимодействия метана с углем, в том числе и явление поглощения газов твердыми телами. Исследования показали, что в углях наблюдается как адсорбция, так и поглощение газа, а сами угли являются мощными аккумуляторами углеводородных газов [7, 8]. Например, некоторые пласты (в Кузбассе и Воркуте) содержат до 10 млрд м3 метана, а запасы метана во всех угольных бассейнах России оцениваются в сотни триллионов кубометров. Довольно подробно физические и химические свойства метана (химическая формула СЩ) описаны еще Д.И. Менделеевым [3], который указывал на «опасность разработки угольных копей» в условиях присутствия в угле болотного газа - метана, поскольку, смешиваясь с воздухом метан образует взрывоопасную смесь. Анализ многочисленных исследований,
например, [3-6, 9], приведенный в [10] показал, что при соприкосновении метана с углем возможны процессы сорбирования газа, поглощения и их комбинаций. При сорбировании соединение молекул газа с поверхностью твердого тела происходит под действием сил молекулярного притяжения. Сорбированный метан удерживается углем дисперсионными силами, возникающими между неполярными молекулами угля, т.е. эта связь носит физический характер [9]. Такой характер связи метана с углем делает возможной обратимость процессов; он сохраняется в условиях залегания пластов до 1500 м. При этом каждый угольный пласт рассматривается как трещиновато-пористая сорбирующая среда с распределенным по объему метаном, расчлененная естественными трещинами и макропорами на отдельные блоки.
Суммируя современные знания, можно отметить, что процесс накопления углем метана происходит следующим образом. На первых стадиях образования угля из торфа, который имеет рыхлую пористую структуру и большую удельную поверхность, преобладал процесс адсорбции, не исключался в какой-то степени и процесс поглощения газа. С большой долей вероятности можно констатировать, что уже на этой стадии метан удерживался пористой структурой торфа равномерно по объему. На протяжении эпох происходило накопление геологических образований, которое приводило к увеличению бытового давления, угольные пласты при этом спрессовывались, что сопровождалось перераспределением величины вклада, приходящегося на адсорбцию и поглощение, а именно: удельный вес вклада поглощения твердой фазой метана увеличивался. Создавались благоприятные условия для большего поглощения удерживаемого огромной поверхностью твердого материала (угля) и вновь образовываемого в процессе метаморфизма метана, не исключая наличие газа, ад-
сорбированного на поверхностях трещин и микропор, сжатого бытовым давлением угля. В результате, как показывают последние теоретические расчеты, давление метана в угольных пластах в природном состоянии может достигать 19 МПа и более [11].
Проходка выработок неизбежно вносит изменение в сложившуюся веками динамику естественного напряжен-но-деформиро-ванного состояния
(НДС), и является причиной выхода газа из окружающего массива. Выделение метана в выработку происходит при разгрузке угольных пластов в результате его десорбции и находившегося в свободном состоянии газа в макропорах. Специалисты различают несколько видов поступления метана из пласта в выработки: обыкновенное, суфлярное, внезапные выбросы [6, 9], и отмечают, что поступление газа происходит наиболее интенсивно (до 50 л/мин с 1 м2 обнаженной поверхности) в первое время после разгрузки с затуханием выделения в последующие месяцы, прекращаясь по истечении примерно одного года.
Характер протекания физических процессов в горных массивах при разгрузке зависит как от общих запасов энергии (энергии газа и угля) [12], так и соотношения энергии упругого восстановления угольного пласта и эффективной энергии газа. Внезапные выбросы происходят в результате действия горного давления, энергии газа, заключенного в угле, и изменения прочностных свойств угольных пластов при проведении горных работ [6, 9]. В рамках принятых предпосылок авторами предложена схема разрушения газонасыщенных пластов, которая состоит в том, что в процессе разгрузки деформация пород сопровождается сначала накоплением упругой энергии, затем ее внезапным превращением в работу разрушения угля, а расширяющийся метан совершает работу по выбросу угля в выработку.
Утверждение о том, что реализация упругой энергии сжатых газов при разгрузке может являться источником разрушения (или нарушения) сформировавшейся структуры материала [6], как правило, приводится без объяснения механизма разрушения. Если имеется в виду наличие полостей или каверн, заполненных сжатым газом под большим давлением, являющихся источником выброса, то сама порода в этом случае будет рассматриваться как нейтральный (инертный) материал, который при раз-
Анализ особенностей изменения НДС газонасыщенных угольных пластов при уменьшении бытового давления выполнен с учетом того, что механический процесс, протекающий в угле в условиях разгрузки, в такой трактовке ранее не рассматривался. При этом другие явления, сопутствующие механическому про-
Рис. 1. Напряженное состояние элемента угля, насыщенного газом, в условиях бытовых давлений
Рис. 2. Распределение бытовых горизонтальных давлений в забое по направлению проходки
грузке разрушается газом. Один из таких современных подходов в объяснении механизма изменения НДС массива (применительно к условиям, характерным при проходке скважины), позволяющий объединить различные концепции, заключается в следующем. Выделение газа в выработку из пор угля при разгрузке ведет к усадке угля с сопутствующим перераспределением напряжений при десорбции метана и увеличением области наведенной газопроницаемости, что приводит в свою очередь к новому расширению области усадки, дальнейшему перераспределению напряжений и т.д. В результате динамики всего процесса для изначально непроницаемого пласта «расширение области наведенной газопроницаемости может быть самоподдерживающимся процессом» [13].
Возможна иная трактовка, состоящая в том, что уголь с одними деформационными характеристиками, равномерно насыщенный по всему объему материалом с другими деформационными характеристиками - газом (рис. 1), находящимся, причем, под большим давлением, перед разгрузкой рассматривается как единая структура, состоящая из двух подструктур. С учетом этого на примере фрагмента массива угля, насыщенного метаном, рассмотрим процесс разгрузки с целью выяснения механической природы взрыва газовой смеси в выработке.
цессу (химические, теплофизические и т.д.) в данной работе не учитываются. Настоящее исследование выполнено применительно к элементарному объему угольного пласта после обнажения забоя при проходке выработки на глубине h (рис. 2) в предположении, что максимальное главное напряжение (ст2) является вертикальным.
Режим разгрузки (во времени) может носить дискретный (мгновенный) или континуальный (постепенный) характер. На практике эти режимы реализуются, как правило, в сочетании друг с другом в зависимости от технологии проходки, физико-механических свойств материала, расстояния от контура выработки и многих других факторов.
В качестве исходных предпосылок, использованных при анализе перераспределения давлений в газонасыщенном угле при изменении бытового давления геомассива в цикле разгрузки, приняты следующие установленные экспериментально положения.
1. Внешнее давление, передающееся на исследуемый материал геомассива (уголь), содержащий газ, составляет Рбыт.
2. Газ насыщает уголь равномерно по рассматриваемому объему и его распределение по объему не является функцией координат (х, у, 7), т.е. насыщенный газом материал является однородным и изотропным.
3. Бытовое давление (Рбыт), определяемое суммой двух составляющих эле-
ментов, можно представить в виде: Рбыт. = Ртв. + Ріж., где Ртв. - давление, воспринимаемое твердой фазой материала, Ргаз. - давление, воспринимаемое газом. Такое распределение удовлетворяет предельным переходам: если содержание газа равняется нулю, то все давление передается на твердую фазу и наоборот.
4. Процесс изменения НДС материала рассматривается в цикле разгрузки. Для выяснения механизма измене-
ния давлений, воспринимаемых твердой фазой (Ртв). и давлением, воспринимаемым газом (Ргаз.) при уменьшении или полном снятии общего бытового давления Р быт., необходимо задаться соответствующими зависимостями этих давлений от упругих деформаций, получаемых в цикле разгрузки. Для указанных составляющих давлений приняты следующие функции: Ртв. = Ртв.(є) и Ргаз. = Ргаз(є) (рис. 3 и 4).
Графическая интерпретация этих функций принята в масштабе, который дает возможность проследить подробно детали рассматриваемого процесса с учетом того, что значение упругой деформации твердой составляющей в цикле разгрузки в действительности является очень малой величиной (доли мм). Поэтому указанная на рис. 4 зависимость между давлением и деформациями (объемными) при разгрузке для такого узкого диапазона изменения объема газа, соответствующего упругим деформациям твердой фазы, является величиной практически постоянной.
5. В процессе изменения НДС угля, насыщенного газом, масса газа принята постоянной, т.е. газ находится в объеме деформируемого материала геомассива.
6. Режим разгрузки, для определенности, принят достаточно быстрым, когда газ не успевает выйти из угля, и соблюдается условие «совместности» деформаций. При этом рассматриваемый материал, насыщенный газом, остается однородным.
7. При уменьшении бытовых давлений НДСтоже является однородным, т.е. рассматривается случай разгрузки в условиях декомпрессии.
В рамках предлагаемой трактовки рассмотрим механический процесс разгрузки материала геомассива, равномерно насыщенного газом метаном применительно к угольным пластам, принимая во внимание особенности деформационных характеристик твердой фазы и газа в цикле разгрузки (см. рис.
3, 4).
Если бы уголь не был насыщен газом, то изменение его НДС при разгрузке, сопровождаемое реализацией упругих деформаций, можно представить в координатах Р - є зависимостью на рис. 3 (для простоты построений она принята линейной). Деформационная характеристика газовой составляющей будет иметь свою особенность, состоящую в том, что при малых изменениях объема сжатого газа, его давление будет оставаться практически постоянной величиной (см. рис. 4). Следует отметить, что при континуальном (постепенном) режиме снятия давления, скорее всего, произойдет выделение газа, растворен-
ного в угле, с уменьшением его давления во времени (рис. 5).
При анализе и для наглядности объяснения процесса разгрузки обратимся к структурной механической модели, отражающей упругость газонасыщенного угля в массиве (т.е. до начала разгрузки), которая, с учетом
изложенного в [14], может быть
кратное увеличение объема сжатого газа (V), которое выражается значительными линейными приращениями газовой компоненты (5Г >> 5У), при условии, если расширение будет беспрепятственным. Однако свободному расширению газа препятствует уголь. Из приведенных на рис. 7 схем видно, что если элементы Пі и П2 в условиях разгрузки будут деформироваться «совместно» (при соблюдении условий совместности деформаций), то реализация упругой энергии газов приведет к переходу первой пружины в режим растяжения с возник-
Рис. 3. График разгрузки для твердой фазы материала (угля)
Рис. 4. График разгрузки для газовой составляющей
Рис. 5. Уменьшение давления газа по глубине массива в зависимости от физико-механических свойств материала геомассива и времени
представлена упругими элемен- новением в ней тем больших напряже-
Рис. 7. Схемы линейных деформаций отдельных элементов газонасыщенного угля
Рис. 8. Динамика изменения напряжений в метане и угле при уменьшении бытовых давлений до нуля
тами (в виде пружин). Особенность данной модели состоит в том, что основные элементы газонасыщенного угля представлены двумя сжатыми пружинами (рис. б), одна из которых П1 отражает давление, передающееся на твердую фазу - уголь, а вторая (П2) давление, действующее в газе, «растворенном» в норах угля. Обе пружины сжаты общим бытовым давлением Рбыт, часть которого рРб приходится па элемент П1, а (1-Р)Рб - па элемент П2. При этом деформационные на-раметры этих двух элементов существенно отличаются один от другого. Рассмотрим схемы деформаций каждого из этих элементов при полной разгрузке, если бы они не участвовали в процессе уменьшения внешнего давления совместно, а деформировались самостоятельно. На рис. 7 наглядно представлены схемы линейных деформаций отдельных элементов среды. На рис. 7.1 5У представляет упругие деформации угля при разгрузке (они относительно малы); 5Г - упругие деформации газа (метана) при изменении в пем давления от (1 -Р)Рб до атмосферного (см.рис.7.2), которые обусловлены известным законом Бойля - Мариотта (PV = const.). Согласно этому закону сброс бытового давления до атмосферного вызовет много-
ний, чем больше давление в газе. Следствием взаимной работы этих составляющих элементов будет неизбежное понижение прочности твердой фазы (угля) со всеми сопутствующими процессами изменения НДС такой среды.
На графике (рис. 8) деформационные зависимости твердой фазы (угля) и газа (метана) рассмотрены совместно, что дает возможность проследить особенности их взаимодействия (перерас-пре-деления) при уменьшении бытового давления до нуля.
Снижение полного бытового давления (отрезок ВО1 на рис.8) происходит по линии О'О, разгрузка твердой фазы происходит по линия АС. Давление газа при разгрузке ввиду малости деформаций принято постоянным, равным Рпв. Снижение бытового давления сопровождается реализацией упругих деформаций, газонасыщенная среда при этом преодолевает две области деформаций
(ВС и СО). При достижении реализуемых упругих деформаций некоторой величины е1, равной отрезку ВС на диаграмме, распределение давления в этом состоянии будет характеризоваться отсутствием напряжений в твердой фазе и наличием напряжений, обусловленных давлением в газе.
Указанная на графике зависимость СЕ построена в предположении сохранения модуля деформации в растянутой зоне, что на выводы принципиального значения не оказывает. Дело в том, что
указанная на рис. 3 зависимость получена при статическом испытании, а в данном случае рассматривается кратковременный процесс (характер ударной волны) и малые деформации. Дальнейшая реализация упругих деформаций (вторая стадия, соответствующая области СО) обусловлена давлением газа, при котором начинается воздействие газовой составляющей на «твердую» фазу. Это приведет к образованию нормальных напряжений в угле другой полярности, достигающих максимума при полном снятии бытового давления (т.О). При этом напряжения разной полярности в угле и газе окажутся равными отрезку ОЕ.
Появление в угле растягивающих напряжений может явиться источником разрушения рассматриваемой среды и выделения газа (метана) с продуктами разрушения материала (угольная пыль). Для каменных материалов, как правило, модуль деформации на растяжение Ераст. меньше модуля деформации на сжатие Есж. (см. рис. 3), что будет повышать вероятность хрупкого разрушения при полном снятии бытового давления. Высказанное положение может быть подтверждено экспериментально. Известно, например, что при формировании ячеистых бетонов (пенобетонов) дополнительное количество пенообразующего
приводит в результате к частичной потере прочности материала. Если же твердение такого материала будет происходить в замкнутом объеме, то при разгрузке упругая энергия сжатых газов может разрушить сформировавшуюся структуру пенобетона.
Таким образом, при нарушении равновесия (например, при образовании выработки) «выход» газа сопровождается механическим взаимодействием элементов этой среды, что значительно усложняет реально протекающие процес-=Л сы. Это взаимодействие будет являться источником снижения прочности материала в призабойной области и, как следствие, последующего выброса его в выработку. В результате выделения газа, равномерно насыщающего объем угля, при уменьшении бытового давления, вызванного разгрузкой, в материале геомассива образуется само-напряженное состояние, обусловленное реализацией упругой энергии газа в области за пределами упругих деформаций сжатия угля (наЛ пряжения сжатия - в газовой составляющей и растягивающие напряжения в твердой подструктуре материала вблизи плоскости забоя). Аналогичные эпюры перераспределения давлений могут быть построены в сечениях на удалении от забоя с определением размеров зоны, в пределах которой будет реализовываться предельное состояние материала. Размеры этой зоны будут определяться сложными функциями величины бытового давления, степени газонасы-щения, способов и режимов проходки, геометрических размеров и т.д.
Рассмотрение самого процесса механизма разрушения горной породы не дает полного ответа на вопрос о возможной взрывоопасности и оставляет за рамками исследования проблемы, сопутствующие механизму саморазрушения пород, насыщенных метаном. Таких факторов несколько, но в первую очередь можно выделить два из них. Результирующее НДС при дискретном характере разгрузки характеризуется совместной деформацией с различными (существенно) деформационными характеристиками газа и твердой фазы: напряжения в твердой фазе уменьшаются в соответствии с модулем упругости угля, давление же в газе остается практически постоянным в интервале деформаций твердой фазы (угле). Результатом этого является образование в
твердой составляющей растягивающих напряжений, которые могут привести с большой вероятностью к разрушению структуры угля, сопровождаемому появлением больших сил трения выбрасываемого материала об оставшийся ненарушенным массив и образованием угольной пыли, следствием чего является выброс угля в выработку. Таким образом, различие деформационных характеристик составных элементов материала при разгрузке реализуется возникновением двух подструктур напряжений (одна в твердой фазе, другая - газовой составляющей), приводящих материал в самонапряженное состояние, что является причиной образования дефектов и разрушения газонасыщенного угля. Разрушение структуры материала и трение в условиях динамического характера процесса могут спровоцировать образование локальных очагов повышенной температуры, а также искр, приводящих к возможному самовоспламенению и последующему взрыву смеси метана, угольной пыли и кислорода (гремучей смеси), что хорошо согласуется с результатами исследований [15]. В этой работе, в частности, отмечается, что при образовании трещины происходят локальный разогрев в ее вершине и электризация поверхностей трещины. В образуемых при деформировании массива горных пород трещинах в месте разрыва межкристаллических связей выделяется тепло, и кратковременное (импульсное) повышение температуры в вершинах возникающих трещин для некоторых материалов может достигать порядка 1000 0С.
Вывод. Выполненный анализ процесса разгрузки газонасыщенного угля, как материала, состоящего из элементов с различными деформационными свойствами, позволил установить следующее. При мгновенном снятии бытового давления в процессе проходки в угольных пластах, содержащих метан, различие деформационных свойств составных элементов угля приводит к появлению двух подструктур напряжений. В результате реализации упругой энергии газов в области за пределами упругих деформаций сжатия твердой фазы материала возникают разнополярные напряжения (напря-жения сжатия - в газовой среде и растягивающие напряжения в структуре угля) вблизи плоскости забоя. Возникновение этих напряжений создает условия для разрушения структуры разгруженного угля, образования взры-
воопасной смеси метана с угольной пылью и ее самовоспламенения. Таким образом, установлена механическая причина «само-произвольного» возгорания газонасыщенного угля с высоким содержанием метана как следствие реализации самонапряженного состояния при дискретной разгрузке. Реализации механического процесса разрушения структуры и выброса угля с возникновением
сил трения, сопровождающимся импульсным всплеском температуры и возможным образованием локальных очагов разогрева и искр, приводящих к самовоспламенению образуемой смеси, способствует незначительная прочность каменных материалов (1/10) на растяжение по сравнению с прочностью на сжатие.
1. Одна из возможностей уменьшения вероятности шахтных катастроф / Мирумянц С.О. // Безопасность труда в промышленности. -2001. - № 12. - С. 47-48.
2. Людвиг М. Потери в забоях, как на войне// Газета «Советская Россия». - М.: 2002. - №76 (11 июля). - С. 1.
3.МенделеевД.И. Основы химии. Том I.- М.- Л.: Госхимтехиздат, 1932. - С.162-169, 394-395.
4. Хвольсон О.Д. Курс Физики. Том первый. Берлин: Государственное издательство Р.С.Ф.С.Р., 1923. - С. 366-370.
5. Гудаев А.Н. Геология. - М.: Изд-во «Недра», 1968. - С. 153154.
6. Управление свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах. /Цикл научных исследований (1962-1980 гг.). - М.: Изд-во Московского горного института, 1981. - 333 с.
7. Зимаков Б.М. Новая концепция геолого-техно-логической оценки метана угольных пластов как полезного ископаемого в угольных бассейнах// Геолого-геофизи-ческие методы прогноза угленосности. - Ростов-на-Дону, 1993. - С. 180-189.
8. Результаты оценки прогнозных ресурсов попутных газов угольных месторождений / В.П.Ступаков, А.Г. Ефремова, В.Я. Колесник и др. // Геолого-геофизические методы прогноза угленосности. - Ростов-на-Дону, 1993. - С.189-196.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
С точки зрения предложенного подхода, применение на практике предварительной искусственной дегазации угольных пластов [16] может исключить одну из причин ‘самопроизвольного’ воспламенения взрывоопасной смеси метана, угольной пыли и кислорода с предотвращением внезапных выбросов и взрывов при подземной разработке каменных углей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
9. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли. /РАН, АГН, РАЕН, МИА; Под ред. К.Н.Трубецкого. - М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. - 478 с.
10. Мороз А.И. Механическая (структурная) модель газонасыщенного угля // Нефтегазовые технологии. - 2002. - № 2. - С. 21-23.
11. Колесниченко И.Е., Колесниченко ЕА. Физико-химические расчеты максимального давления метана в угольном пласте // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ, 2001. - № 6. - С. 140-141.
12. Фейт Г.Н и др. Прогноз опасности внезапных выбросов и горных ударов по энергии массива. //ФТПРПИ. - 2002. - №1. - С. 6770.
13. Одинцев В.Н. Теоретическая оценка влияния скважины на проницаемость газонасыщенного пласта.// ФТПРПИ. - 2001. - №6. -С. 25- 30.
14. Герсеванов Н.М., Польшин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов и их практические применения. - М.: Стройиздат, 1948. - С. 150.
15. Старцев В.А. Новая парадигма внезапных выбросов соли и газа на калийных рудниках // Безопасность труда в промышленности. - 2001. - №11. - С.32-35.
16. Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов КС. Аналитическая модель гидравлического расчленения угольного пласта.// ФТПРПИ. - 2001. - № 6. - С. 31-37.
Мороз Алексей Иосифович - кандидат технических наук, зав. сектором НИИ оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова.
