CC BY
7
© Д.И. Борисснко, 2013
УДК 622.82 Д.И. Борисенко
К ВОПРОСУ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ВЫСОТЫ ГОРЯЩЕГО ЗАБОЯ
Описывается эксперимент по измерению изменения вертикального размера образцов угля при нагреве открытым пламенем и одновременном сжатии в вертикальном направлении в лабораторных условиях, что моделирует поведение горящего забоя при подземном пожаре в угольном пласте. Приводятся типичные экспериментальные зависимости изменения высоты образца угля и внешнего сжатия от времени.
Ключевые слова: образец угля, расширение при нагреве, линейные размеры, моделирование горящего забоя.
Введение
Вопросы физики горения кускового угля довольно подробно изучались ещё в начале прошлого века [1]. В последующие годы применительно к энергетике стало актуально исследовать процессы горения измельчённого угля, обладающего гораздо большей удельной поверхностью. Таким образом, бульшая часть знаний по горению угля на макромасштабах базируется на экспериментах, проведенных почти сто лет назад. Однако исследования поведения горящего забоя применительно к пожарам в угольных пластах в литературе не описаны, и поэтому тема настоящей работы представляется актуальной для комплексного изучения процесса горения угольных пластов при подземных пожарах.
При нагревании твёрдые тела имеют обыкновение расширяться [2, стр. 144, 145], что обусловлено большим тепловым дрейфом узлов кристаллической решётки, чем в холодном состоянии. Уголь, являющийся многокомпонентной средой (как на макроскопическом, так и на микро-
скопическом уровне [3, стр.27]) — также твёрдое тело и, следовательно, исключения из этого правила не составляет. Однако при нагреве открытым пламенем уголь горит, причём в нём при этом протекает процесс тре-щинообразования [4, стр.123], сопровождающийся увеличением линейных размеров горящего угля. А поскольку при подземном пожаре в пласте уголь сжат горным давлением, изменение высоты горящего забоя во времени должно определяться действием трёх факторов: тепловым расширением, трещинообразованием и внешним давлением.
Методика исследования и экспериментальный стенд
Для достижения поставленной цели настоящей работы — выявить влияние теплового расширения, тре-щинообразования и внешнего давления на высоту горящего забоя — делалось следующее. Задавая геометрию образцов (форму и размеры) и варьируя интенсивность подвода тепла и внешнее нагружение (усилие сжатия пресса), измеряли изменение линейного размера образцов,
Рис. 1. Схема расположения образца в экспериментальной установке: 1 — направление сжимающего воздействия пресса; 2 — поршень; 3 — направляющее П-образное ложе; 4 — образец угля
соответствующего мощности угольного пласта (то есть изменение высоты образца).
Поскольку изменение линейных размеров удобнее всего измерять у образцов правильной геометрической формы изготовлялись они в виде параллелепипедов с отшлифованными гранями. В настоящей работе эксперименты проводились с образцами каменного угля (марки КО, шахта им. В.И Ленина, г. Междуре-ченск Кемеровской обл.) размерами 40 х 60 х 30 мм (соответственно: глубина х ширина х высота). Размеры образцов выбирались из соображений моделирования забоя угольного пласта, т.е. исследования макроразмер-ных кусков угля. Для этого их характерные размеры должны превышать характерные размеры в зоне горения: длины свободного пробега молекул в газовых продуктах горения, толщины температурного, гидродинамического и концентрационных пограничных слоёв, диаметры конвективных вих-
рей, образующихся в процессе горения.
Перед началом эксперимента образец заподлицо с рабочей поверхностью вставлялся в специальное П-образное направляющее ложе, выточенное из цельного куска стали Ст45 с толщиной стенки 16 мм, по которому свободно перемещался стальной поршень (рис. 1).
С поршнем жёстко соединены кронштейны, на которых в свою очередь размещены индикаторы линейного перемещения часового типа с ходом штока 10 мми точностью измерения 5 мкм, по которым контролировалось из-менение высоты образца. Движение поршня по направляющему ложу осуществлялось как в результате изменения линейных размеров образца, вызванного горением, так и под действием ручного гидравлического пресса, развивающего давление в масляной системе до 160 кгс/см2. В прессе крепилась конструкция, содержащая направляющее ложе, поршень с кронштейнами и индикаторами и помещённый между дном направляющего ложа и нижней поверхностью поршня образец угля так, чтобы напластования материала образцов располагались чётко параллельно сжимающим плитам пресса. Таким образом, сжимающее усилие пресса сдавливало образцы в направлении, перпендикулярном плоскостям напластований: прижимало слои друг к другу, и в случае образования трещин между напластованиями должно было соединять их берега. Образцы устанавливались заподлицо нагреваемой по-
Рис. 2. Внешний вид экспериментальной установки:
1 — ручной пресс; 2 — индикаторы линейных перемещений часового типа; 3 — теплоизоляция; 4 — рабочий (горящий) торец исследуемого образца угля; 5 — чувствительный элемент платинородий-платиновой термопары; 6 — мультиметр, показывающий значение температуры на горящем торце образца угля; 7 — мультиметр, показывающий значение температуры на торце образца угля, противоположном горящему; 8 — пробозаборник газоанализатора ОеЙа-65 (на рисунке не показан); 9 — манометр, показывающий усилие, создаваемое прессом; 10 — сопло газовой горелки
верхностью с гранью направляющего ложа. Кроме функции направления поршня ложе играло роль ограничителя перемещений (выпячивания) в стороны боковых вертикальных поверхностей образца при нагреве и внешнем давлении, создаваемом прессом, что позволяло моделировать ситуацию горения забоя реального угольного пласта.
Также в процессе всего эксперимента — с момента начала нагрева образца, при его самостоятельном горении и при внешнем сжатии прессом — записывалась акустическая ситуация в исследуемом образце. Для этого на торце образца, противоположном нагреваемому, устанавливались акустические датчики, регистрировавшие акустические импульсы, возникающие в образце в результате
разрушения, вызванного горением [6]. Это позволяло оценить стадии изменения высоты образца, вызванного тепловым расширением и трещинообразованием.
Кроме этого измерялась температура торца образца, противоположного нагреваемому, для контроля сплошности исследуемого образца. Последнее поясняется следующим образом. В силу низкой теплопроводности угля (А.тах = =344 Вт/(м-К) [5, стр. 38— 41]) за всё время эксперимента (нагрева и самостоятельного горения образца до тушения) — это период порядка часа —полутора — торец образца, противоположный горящему, прогреется до нескольких десятков градусов Цельсия. Это при том, что температура горения исследуемых образцов больше тысячи градусов Цельсия. Поскольку, как отмечалось выше, образцы изготавливались таким образом, чтобы напластования в них были чётко параллельны сдавливающим плитам пресса, значит перпендикулярно нагреваемой поверхности, то образование трещин, вызванных горением, наиболее вероятно вдоль напластований, то есть в направлении от горящего торца к торцу, на котором установлены акустические датчики. Если температура торца образца, противоположного нагреваемому, достигнет нескольких сотен градусов Цельсия, то можно констатировать появление магистральных трещин в образце, по которым передаётся тепло, а это уже — фрагментация образца.
Внешний вид части стенда, содержащей образец угля, представлен на рис. 2.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Алгоритм проведения экспериментов выглядел следующим образом. После того как образец помещался в направляющее ложе под поршень с закреплёнными на нём индикаторами вся конструкция устанавливалась между рабочими плитами пресса. Включалась запись акустических сигналов на компьютер. Затем начинался вынужденный нагрев рабочей поверхности исследуемого образца угля ударной струёй открытого пламени
горящего изобутана, и после достижения самостоятельного горения образца горелка удалялась из зоны проведения эксперимента. Когда визуальные наблюдения за горящей поверхностью образца показывали, что она вся покрыта сеткой трещин (напомним, что перед экспериментом поверхности образцов шлифовались), на образец с помощью пресса оказывалось сжимающее воздействие, усилие которого изменялось ступенчато и прекращалось при разрушении образца.
На рис. 3 представлены зависимости сжимающего воздействия пресса и изменение вертикального размера образца угля от времени.
В эксперименте, для которого приведена зависимость на рис. 3, нагрев начался на 541-ой секунде; на 2 006-ой секунде образец был сжат внешним давлением 33 кг/см2, спустя минуту (60 секунд) это давление было снято; на 2 652-ой секунде началось ступенчатое нагружение образца внешним давлением, которое закончилось при разрушении образца. Как видно из рис. 3, макроскопические образцы угля при нагревании открытым пламенем и самостоятельном горении расширяются.
Акустические сигналы в угле, характерные для трещинообразования при горении, регистрируются с первого же момента начала подвода тепла (нагрева пламенем газовой горелки), что свидетельствует об одновременном действии двух влияющих факторов: теплового расширения и трещинообразования.
При первом увеличении сжатия образца внешним давлением (даже кратковременным и не очень большим по значению — почти втрое меньшим предела прочности для данного угля) высота образца, увеличившаяся при нагреве, уменьшается. После снятия этого воздействия образец расширяется, но до значения, не совпадающего с тем, что было, до приложения внешнего сжатия. Объясняется это, по-видимому, тем, что внешнее давление вызывает микроразрушения в угле, препятствующие возвращению берегов трещин, образовавшихся в угле под воздействием горения, в исходные положения, имевшие место до изменения значения внешнего давления.
При внешнем сжатии образца в описанных условиях его горящий торец выпирает в сторону поверхности горения.
Применительно к условиям очага пожара в угольном пласте, весьма наглядной характеристикой поведения забоя представляется зависимость его высоты от времени. Расширение горящего забоя по вертикали встречает сопротивление пород почвы и кровли, обусловленных горным давлением. При достижении сочетанием вертикального расширения горящего забоя, реакций почвы и кровли критических значений происходит сжатие забоя горным давлением за счёт трещин, образовавшихся в процессе горения. А поскольку процесс горения при пожаре в угольном пласте является самоподдерживающимся [7, стр. 6], описанные расширения-сжатия горящего забоя происходят постоянно с некоторой периодичностью. Однако, как показали проведенные в настоящей работе эксперименты, сжатие горящего макроразмерного куска угля не приводит к возвращению его линейных размеров к исходному состоянию. Ограничение в распространении угля по вертикали (почва и кровля) и вдоль фронта горения (соседние фрагменты забоя) вынуждают уголь выпирать в сторону выработанного пространства. Причём, объём горящего угля увеличивается, а, учитывая, что масса горящего угля в процессе горения не увеличивается, можно констатировать уменьшение плотности горящего забоя по сравнению с негорящим.
Заключение
В отсутствии внешнего нагружения макроскопический кусок угля при горении расширяется. Объясняется это процессами теплового расширения и трещинообразования. Одновременное действие теплового расширения, трещинообразования и внешнего сжатия приводит к необратимым изменениям в
угле, в результате чего плотность горящего угля уменьшается по сравнению с плотностью этого же угля до горения. Высота горящего забоя угольного пла-
1. Дурилинь П.Н. Составь и испыташе каменныхъ углей Россш. Химичесмя изсле-довашя и испыташя въ топкахъ паровыхъ котловъ. Москва: Типограф1я М. Александровой, 1916. — 150 стр.
2. Кухлинг X. Справочник по физике./ Пер. с нем. под ред. Е.М. Ёейкина. — М.: Мир, 1982. — 520 с.
3. Бобин В.А. / О свойствах каменного угля как природного наноматериала // Горный журнал. — 2005. — № 4. — С. 27—30.
4. Борисенко Д.И. / Трещинообразова-ние в угле при горении // VI Всерос. конф. «Горение твёрдого топлива», 8—10 ноября
ста в подземных условиях периодически изменяется, что приводит к выпиранию угля в сторону выработанного пространства.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2006 г. — Новосибирск, 2006. — Ч. 1. — С. 121—126.
5. Черняк З.А. Физические свойства углей и вмещающих пород как объект аппаратурного контроля. — М.: Наука, 1985. — 128 с.
6. Борисенко Д.И./ Возникновение акустических импульсов в угле при различных воздействиях// Деп. в ГИАБ. — 2007. — № 5. — 10 с.
7. Борисенко Д. И., Азаренко В.А., Черников В.Н. / Влияние разрушения образца угля на интенсивность процесса его горения в лабораторных условиях // Сб. науч. статей Современная наука 2010 — № 3(5). — С. 1—6. 1Ш
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Борисенко Дмитрий Иванович - кандидат технических наук, dima-luxinzhi@mail.ru Национальный научный центр горного производства — Институт горного дела им. A.A. Скочинского.
ГОРНАЯ КНИГА
Освоение техногенных массивов на горных предприятиях
А.М. Гальперин, Ю.И. Кутепов, Ю.В. Кириченко, А.В. Киянеп,
A.В. Крючков, B.C. Круподеров, В.В. Мосейкин,
B.П. Жариков, В.В. Семенов, X. Клапперих, Н. Тамашкович, X. Чешлок
2012 г. 336 с.
ISBN: 978-5-98672-311-2 UDK: 622:577.4; 624.131.1:550.4
Отмечен существенный негативный вклад техногенных массивов на горных предприятиях в нарушение окружающей среды и определены направления их экологически безопасного освоения. Приведена характеристика горно-промышленных регионов с различными направлениями освоения техногенных массивов в России и Германии.
Для специалистов горного дела, в области геоэкологии и смежных специальностей. Может быть полезна студентам вузов, а также учащимся средних специальных учебных заведений горного профиля.
ОСВОЕНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
