CC BY
44
УДК 622.272.6
К ВОПРОСУ О МОДЕЛИРОВАНИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В УГЛЕМЕТАНОВЫХ ПЛАСТАХ
Татьяна Анатольевна Киряева
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, тел. (923)170-32-11, e-mail: coalmetan@mail.ru
Приведены результаты стендовых исследований по изучению изменения температуры газонасыщенного угля при повышении давления нагружения, а также с целью определения структурных и физико-механических свойств газонасыщенного угля.
Ключевые слова: углеметановые геоматериалы, выход летучих веществ, температура угля, спекл-фотографии, структура горных пород.
MODELING THERMODYNAMIC PROCESSES IN METHANE-BEARING COAL
Tatiana A. Kiryaeva
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D. Eng, tel. (923)170-32-11, e-mail: coalmetan@mail.ru
The author describes the bench test data on the temperature change in gas-saturated coal under increased load pressure aimed at assessment of structural and physico-mechanical properties of high methane coal.
Key words: methane-containing material, volatile content, coal temperature, speckle-photography, rock structure.
В последнее время рядом российских ученых были проведены исследования по определению изменения температуры в процессе отработки угольных пластов. При рассмотрении различных взглядов на формирование механизма повышения температуры углеметанового массива можно говорить о том, что во всех работах говорится об установлении высоких температур в зонах опасных по выбросам газа и угля. Отмечено, что в зонах повышенного горного давления происходит изменение температуры в сторону возрастания.
Таким образом, дальнейшие исследования по изменению температуры угольного пласта в призабойной части могут дать ответ на ряд вопросов связанных с газодинамическими процессами при отработке угольных пластов, вплоть до внезапных выбросов угля и газа.
Поэтому необходимо исследование влияния температуры, напряженно -деформированного состояния и физико-химических свойств газоносных угольных пластов на их выбросоопасность.
Исследованиями свойств углеметановых пластов российскими учеными установлен факт состояния метана [1, 2], при котором значительная его часть заключена в составе твердого раствора с углем, вторая часть связана с ним си-
лами сорбции и очень небольшое количество представлено свободным газом. Процесс распада углеметана на уголь и метан протекает с выделением энергии, что приводит не только к динамическому разрушению угля, но и выносу его значительной части в горную выработку потоком выделяющегося газа. Поэтому разработка модели геомеханического состояния углепородного массива, в которой роль метана является одной из основных, существенно расширит возможности управления следствиями технологических решений по угледобыче и обеспечения предварительной дегазацию месторождений. Такая модель геомеханического состояния является новой. В ее рамках необходимо решить фундаментальную задачу - установление особенностей разрушения газоносного массива при динамически развивающемся опорном давлении и установление условий развития геомеханических и газодинамических процессов до критического состояния, вызывающего горные удары и внезапные выбросы угля и метана. Решение этой задачи требует создания соответствующего методического, алгоритмического и программного обеспечения, реализующего модель и осуществляющее комплексное проведение исследований.
Для решения поставленной задачи необходимо создание комплексной измерительной системы детального дистанционного контроля изменений температуры и напряженно-деформированного состояния образцов горных пород в процессе их нагружения.
Актуальность создания такой системы диктуется необходимостью адекватного физического моделирования термодинамических процессов в углеме-тановых пластах по мере роста температуры и горного давления с увеличением глубины освоения угольных месторождений.
Инфракрасная термография, основанная на зависимости мощности инфракрасного излучения с поверхности контролируемого тела от его температуры, открывает новые возможности для исследования особенностей изменения температурных полей наблюдаемых физических объектов. Современные компьютеризированные тепловизоры позволяют хранить и обрабатывать большие массивы данных после проведения записи меняющихся во времени температурных полей объектов для их оперативного анализа с помощью сложных и более точных математических моделей.
При адиабатическом деформировании заданного элемента упругого тела приращение (АП) первого инварианта тензора напряжений вызывает приращение его температуры (АТ):
АТ = АтТоАП, (1)
где Ат = а!(рС), а - коэффициент линейного расширения, С - удельная теплоемкость при постоянном давлении, р - плотность материала; Т0 - начальная температура.
Следовательно, измеряя АТ , можно определять АП - получать информацию об изменении напряженного состояния контролируемого элемента твердого тела во времени.
Создан стенд, оснащенный комплексной измерительной системой дистанционного контроля изменений температуры и напряженно-деформированного состояния угольных образцов в процессе их нагружения до разрушения (рис. 1).
Рис. 1. Схема экспериментально-измерительной установки: 1 — угольный образец; 2— гранитные пластинки; 3 — подвижная траверса;
4 — тепловизор; 5 — комплекс ALMEC-tv
В лабораторных экспериментах использовался компьютерный тепловизор ТКВр - ИФП "СВИТ", разработанный и изготовленный в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, который предназначен для исследований в реальном масштабе времени. Испытания механических свойств образцов угольного керна проводились в ЦКП ИГД СО РАН на сервогидравличе-ском прессе INSTRON 8802. Для регистрации микродеформаций использовалась автоматизированная система анализа цифровых спекл-фотографий ALMEC-tv. Для угля в дополнение к записи диаграммы макродеформации в процессе нагружения образца производилась запись теплового изображения образца угля и оптическая обработка спекл-фотографий. Принцип работы комплекса основан на интерпретации оптических изображений микрорельефа поверхности нагружаемого объекта. Поверхность последнего освещается разведенным пучком когерентного излучения для получения спекл-картины. Спеклы "привязаны" к соответствующим точкам поверхности и при деформации меняют положение вместе с ними. Видеокамера фиксирует эти смещения в режиме покадровой съемки. Комплекс регистрирует параметры процесса в реальном времени с частотой до 27 кадров в секунду при пространственном разрешении не хуже 1 мкм. После программной обработки на выходе получают координаты и величину смещений точек поверхности образца с временной привязкой, что позволяет вычислять компоненты тензора деформаций.
В выполненных экспериментах были одновременно измерены термограммы и соответствующие им спеклы для 18 образцов трех шахтопластов Кузбас-
са с различными физико-химическими свойствами (газоносность 13 - 20 м/т, выход летучих веществ 20 - 36 %, глубина залегания пластов 200 - 600 м).
Измерения температуры со временем нагружения проводились по всей поверхности угольных образцов, которые сверху и снизу были изолированы от металлической траверсы пресса пластинами из гранита, т.к. коэффициенты теп-лопроводностей гранита и угля соизмеримы. Образцы угля сжимали со скоростью движения захвата 0.2 мм/мин.
На рис. 2 приведены тепловое изображение (а) образца угля и соответствующие термограммы (б), полученные с использованием программы тепловизора для усредненного значения поведения температуры от времени нагружения в различных точках по вертикальной оси образца. Высота образца угля 4 см, в 2 раза больше толщины гранитной прослойки. Точки А и G соответствуют граниту, D, Е, F - центральной части угольного образца. На рисунке хорошо видно увеличение температуры от границ испытуемого образца к его центру (см. светлое пятно вокруг точки Е перед видимым разрушением образца в момент времени 240 с).
Проведенные эксперименты позволили сделать вывод о том, что деформирование образца угля является практически адиабатическим и не зависит от его размеров. Для образцов с различными физико-химическими свойствами время до разрушения различно, но практически не зависит от объема образца. При возрастании времени до разрушения образцов угля градиент температуры увеличивается. Это также свидетельствует об адиабатичности процессов в угле.
На рис. 3 представлена трехмерная диаграмма температуры угля и гранита в начале нагружения и перед разрушением испытуемого угольного образца.
В проведенном эксперименте при возрастании уровня нагружения образцов угля вариации температуры и интенсивности ИК-излучения также увеличивались (рис. 4).
Впервые была получена зависимость приращения температуры от выхода летучих веществ образцов угля (рис. 5). Отсюда следует принципиально новый вывод о том, что углеметановые пласты средней стадии метаморфизма при прочих равных геомеханических условиях, связанных с возрастанием уровня горного давления будут нагреваться быстрее, чем, например, бурые: их температурный градиент по уровню напряжения оказывается до 7 раз больше (!).
С учетом данных работы [3] о зависимости предельной внутренней энергии релаксации и диапазонами глубин выбросоопасности углей Кузбасса [удельные значения которой могут служить показателем потенциальной способности геоматериала определенной прочности к образованию дополнительной поверхности (деструкции)], то можно отметить следующие важные моменты.
та
30.209 30.15 30.075 30
29.925 29.85 29.775
29.7 29.625 29.55 29.475
29.4 29.325 29.25 29.175
29.1 29.025 28.95 28.875
28.8 28.725 28.65 28.575
28.5 28.425 28.35 28.275
28.2 28.125
28.018 х 13 у 128 28.955 (С)
ю
Управление изображением
Э Ш V И • С1 • • П *
Ниж.пмит: 29019 Верк.пинкт: 30 209
О ШЗОЗОЮБОбОТОЯОЭО ЮО ±1П 130 130 150 1ЙО 17И 1ЭО 130 ЗОО 2Ю 2ЭО ЗЗО МО 250 ЗбО это
т™ (!Ю )
Рис. 2. Тепловое изображение в момент времени 240 с (а) и термограммы (б) в зависимости от времени нагружения угольного образца Е, F) высотой 4 см и гранита (А, В, С, I, Н, G)
Рис. 3. Трехмерные диаграммы распределения температуры угля и гранита: а - в начале нагружения; б - перед разрушением испытуемого образца
Напряжение, МПа
• Экспериментальные значения для испытанных образцов — Расчет по (1)
Рис. 4. Приращения температуры для образцов угля в диапазонах их нагружения до разрушения
Рис. 5. Зависимость приращения температуры от выхода летучих веществ V1"1 образцов угля (Т-тощий, ОС-отощенный спекающийся, К-коксовый,
Ж-жирный)
Предельная внутренняя энергия релаксации метаноносности углей Кузбасса количественно характеризует состояние системы углеметана при переходе его из одного метастабильного состояния в другое при изменении метано-носности в два раза. Отмеченные выше эксперименты показали, что при возрастании уровня нагружения образцов угля приращение температуры увеличивается. Но при этом происходит увеличение и предельной внутренней энергии релаксации метаноносности (рис. 6), т. е. углеметановая система переходит в термодинамически более возбужденное геомеханическое состояние. С учетом данных [4] о наличии бифуркации параметров сорбционной метаноемкости согласно рис. 7 и 8, становится очевидным вывод о том, что максимальному «энергетическому потенциалу» пластов соответствует крайняя неустойчивость сорбционного потенциала углей. При ведении горных работ углеметановый пласт генетически способен сформировать возмущающий импульс, достаточный для развития саморазрушения. При этом максимальные значения внутренней энергии релаксации и приращение температуры соответствуют интервалу выхода летучих веществ 18-22% (рис. 5, 8).
£ £0,35
|1 0,3
£ §^25 || 0,2 с г 0,15 0,1 0,05 0
100 150 200 250 300
Е, МПа
Рис. 6. Приращения температуры для образцов угля при увеличении предельной внутренней энергии релаксации метаноносности
Так, для графика, приведенного на рис. 6, внутренняя энергия релаксации рассчитывалась для напряжений на прессе, достигающих при разрушении угольных образцов в эксперименте 50 МПа. Это соответствует глубине добычи угля около 2 км. Реальные глубины добычи угля в Кузбассе и соответствующая им внутренняя энергия релаксации [4] приведены на рис. 8.
Результаты исследований также хорошо согласуются с выводами работы [5] о том, что приращение тензора напряжений прямо пропорционально приращению температуры для образцов угля с различными физико-химическими свойствами. В работе [3] было показано, что при ЛП = 40 МПа в "идеально упругом" образце угля приращения температуры должны составлять ЛТ = 0.003 К. В наших экспериментах на углеметановых образцах это приращение на два порядка больше (около 0.3 К), что можно также объяснить развитием нелинейных деформационно-волновых процессов на микроструктурном уровне внутри образцов, ранее не учитываемых.
Рис. 7. Изменения показателей сорбционной метаноемкости углей Кузбасса и выбросоопасность пластов при подземной разработке месторождений [4]
Рис. 8. Изменение предельных значений внутренней энергии релаксации
для углей Кузбасса [4]: 1-4 - подсерии: 1 - верхнебалахонская; 2 - нижнебалахонская; 3 - ильинская; 4 - ерунаковская
Таким образом, по изменению температуры образца угля при его нагруже-нии можно количественно оценивать изменение его напряженно-деформированного состояния. Более того, как оказывается, при нагружении образца в процессе его деформирования происходит выделение добавочной кинетической энергии, что согласуется с введением в [6] понятия "геомеханическая температура".
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект № 13-05-00673) и проекта ОНЗ РАН-3.1.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Алексеев А.Д., Айруни А.Т., Зверев И.В. и др. Свойства органического вещества угля образовывать с газами метастабильные однофазные системы по типу твердых растворов // Диплом № 9 на научное открытие, РАЕН, 1994.
2. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов. - М.: ИАГН, 2000. - 519с.
3. Опарин В.Н., Киряева Т.А., Гаврилов В.Ю., Шутилов Р.А., Ковчавцев А.П., Танайно А.С., Ефимов В.П., Астраханцев И.Е., Гренев И.В. О некоторых особенностях взаимодействия между геомеханическими и физико-химическими процессами в угольных пластах Кузбасса. // ФТПРПИ. — 2014. — № 2. - С. 3-30.
4. Киряева Т. А. Разработка метода газодинамической активности угольных пластов по геолого-разведочным данным на примере Кузбасса. - Saarbrucken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co, 2011.
5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. - М.: ГИФМЛ, 1965.
6. Опарин В.Н. Волны маятникового типа и «геомеханическая температура» / Тр. 2-й Росссийско-Китайской конференции «Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах». - Новосибирск: ИГД СО РАН. - 2012.
© Т. А. Киряева, 2015
