Влияние уровня шарового тензора на физико-механические свойства углей при их разрушении в объемном поле сжимающих напряжений

Експериментально оцінений вплив рівня кульового тензора напружень на фізико- механічні властивості вугілля при його руйнуванні в умовах тривісного нерівнокомпонент- ного стиснення....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Ревва, В.Н., Васильковский, В.А., Молодецкий, А.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2010
Schriftenreihe:	Геотехническая механика
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33514
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Влияние уровня шарового тензора на физико-механические свойства углей при их разрушении в объемном поле сжимающих напряжений / В.Н. Ревва, В.А. Васильковский, А.В. Молодецкий // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 128-140. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-33514
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-335142012-05-29T12:48:29Z Влияние уровня шарового тензора на физико-механические свойства углей при их разрушении в объемном поле сжимающих напряжений Ревва, В.Н. Васильковский, В.А. Молодецкий, А.В. Експериментально оцінений вплив рівня кульового тензора напружень на фізико- механічні властивості вугілля при його руйнуванні в умовах тривісного нерівнокомпонент- ного стиснення. It has been experimentally appraised how a spherical stress tensor level effect on physicalmechanical properties of coal at fracture in the triaxial inequilcomponent compression conditions. 2010 Article Влияние уровня шарового тензора на физико-механические свойства углей при их разрушении в объемном поле сжимающих напряжений / В.Н. Ревва, В.А. Васильковский, А.В. Молодецкий // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 128-140. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33514 622.023 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Експериментально оцінений вплив рівня кульового тензора напружень на фізико- механічні властивості вугілля при його руйнуванні в умовах тривісного нерівнокомпонент- ного стиснення.
format	Article
author	Ревва, В.Н. Васильковский, В.А. Молодецкий, А.В.
spellingShingle	Ревва, В.Н. Васильковский, В.А. Молодецкий, А.В. Влияние уровня шарового тензора на физико-механические свойства углей при их разрушении в объемном поле сжимающих напряжений Геотехническая механика
author_facet	Ревва, В.Н. Васильковский, В.А. Молодецкий, А.В.
author_sort	Ревва, В.Н.
title	Влияние уровня шарового тензора на физико-механические свойства углей при их разрушении в объемном поле сжимающих напряжений
title_short	Влияние уровня шарового тензора на физико-механические свойства углей при их разрушении в объемном поле сжимающих напряжений
title_full	Влияние уровня шарового тензора на физико-механические свойства углей при их разрушении в объемном поле сжимающих напряжений
title_fullStr	Влияние уровня шарового тензора на физико-механические свойства углей при их разрушении в объемном поле сжимающих напряжений
title_full_unstemmed	Влияние уровня шарового тензора на физико-механические свойства углей при их разрушении в объемном поле сжимающих напряжений
title_sort	влияние уровня шарового тензора на физико-механические свойства углей при их разрушении в объемном поле сжимающих напряжений
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate	2010
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33514
citation_txt	Влияние уровня шарового тензора на физико-механические свойства углей при их разрушении в объемном поле сжимающих напряжений / В.Н. Ревва, В.А. Васильковский, А.В. Молодецкий // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 128-140. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Геотехническая механика
work_keys_str_mv	AT revvavn vliânieurovnâšarovogotenzoranafizikomehaničeskiesvojstvauglejpriihrazrušeniivobʺemnompolesžimaûŝihnaprâženij AT vasilʹkovskijva vliânieurovnâšarovogotenzoranafizikomehaničeskiesvojstvauglejpriihrazrušeniivobʺemnompolesžimaûŝihnaprâženij AT molodeckijav vliânieurovnâšarovogotenzoranafizikomehaničeskiesvojstvauglejpriihrazrušeniivobʺemnompolesžimaûŝihnaprâženij
first_indexed	2025-07-03T14:12:05Z
last_indexed	2025-07-03T14:12:05Z
_version_	1836635311817359360
fulltext	128 "Геотехническая механика" УДК 622.023 В.Н. Ревва, д-р техн. наук, В.А. Васильковский, канд. ф-м. наук, А.В. Молодецкий, м.н.с. (ИФГП НАН Украины) ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ ШАРОВОГО ТЕНЗОРА НА ФИЗИКО- МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕЙ ПРИ ИХ РАЗРУШЕНИИ В ОБЪЕМНОМ ПОЛЕ СЖИМАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ Експериментально оцінений вплив рівня кульового тензора напружень на фізико- механічні властивості вугілля при його руйнуванні в умовах тривісного нерівнокомпонент- ного стиснення. SPHERICAL TENSOR LEVEL EFFECT ON THE PHYSICAL- MECHANICAL PROPERTIES OF COALS AT FRACTURE IN THE VOLUMETRIC COMPRESSION STRESS FIELD It has been experimentally appraised how a spherical stress tensor level effect on physical- mechanical properties of coal at fracture in the triaxial inequilcomponent compression conditions. Физическое моделирование поведения горных пород и углей в условиях объемного напряженного состояния остается важной научно-прикладной про- блемой. Ранее с помощью физического моделирования на установке неравно- компонентного трехосного сжатия (УНТС) осуществлена оценка влияния глу- бины залегания углей на их механические свойства, где установлено появление экстремумов в изменении указанных свойств в районе глубины 2000м. Поэтому возникла необходимость в объяснении это явления. Было высказано одно из предположений, что при шаровом тензоре, соответствующем глубине 2000м, могут происходить некие физико-химические процессы в угле. В настоящей работе предпринята попытка оценить влияние уровня шарово- го тензора на физико-механические свойства углей при их разрушении в усло- виях объемного неравнокомпонентного сжатия. Поскольку горные породы и угли в условиях объемного неравнокомпонент- ного сжатия разрушаются за счет прорастания критически ориентированных сдвиговых трещин, а наиболее энергетически выгодным для разрушения явля- ется вид напряженного состояния µσ, соответствующий обобщенному сдвигу, в дальнейшем моделировался µσ = 0. Учитывая также то, что при моделировании глубины залегания угольных пластов в экстремальной точке изменения механических свойств около 2000м для данного угля уровень шарового тензора МПа27 3 321 0 ≈++= σσσσ , в дальней- ших испытаниях создавались такие уровни напряжений 321 σσσ ≥≥ , чтобы уро- вень шарового тензора был больше 27 МПа. Нагружение образцов осуществлялось в квазистатическом режиме по сле- дующей схеме. На первом этапе создавалось гидростатическое давление 321 σσσ == , при этом 3σ принимало значение 4, 9, 14 МПа для каждого из экс- периментов. Затем, исходя из того, что должен реализовываться вид напряжен- Выпуск № 91 129 ного состояния, соответствующих обобщенному сдвигу, т.е. 012 31 32 =−      − −= σσ σσµσ , программа нагружения осуществлялась по схеме 321 2 σσσ −= . Нагружение образцов производилось до момента разрушения, при этом в процессе деформирования непрерывно фиксировались уровни напряже- ний и деформаций. После завершения каждого из испытаний рассчитывались максимальный уровень шарового тензора и механические свойства угольных образцов. В результате получены зависимости от уровня шарового тензора мо- дуля деформации, объемной прочности и коэффициента поперечной деформа- ции, которые подтверждают выводы, что при повышении уровня шарового тен- зора возрастают объемная прочность, пластичность и коэффициент поперечной деформации. Для понимания физики явления существования экстремума в зависимости механических свойств углей от глубины залегания пластов были проведены ис- следования выхода метана из исходного и подверженного разрушению при вы- соком уровне сжимающих напряжений углей. В работе [1] на уровне качественных оценок было показано, что приложение к образцу угля некоторых видов напряжений может приводить к изменению фильтрационных и диффузионных характеристик движения метана в угле. В дальнейшем была разработана детальная физически обоснованная методика ко- личественной оценки этих характеристик. В основе методики лежит блоковая модель угля, согласно которой каменный уголь представляет собой совокуп- ность мельчайших образований – микроблоков, свободный объём между кото- рыми составляет объём открытых пор и трещин. Указанные поры – фильтраци- онные каналы - сообщаются с внешней поверхностью угля и служат путями эвакуации газа после его диффузии из микроблоков. Микроблоки представляют собой области угольного вещества не имеющие открытых пор и трещин. Эти образования очень малы (rмб <<Rгр), распределены по всему объёму гранул и через систему трещин и открытых пор сообщаются с поверхностью угля. Для наглядности на рис. 1 схематично показан вариант блочного строения угля. Рис. 1 – Схематическое представление структуры угля в блоковой модели 130 "Геотехническая механика" В такой модели диффузия метана происходит из закрытых пор малых час- тиц - микроблоков, средний размер мб r которых не зависит от размера гранулы угля. Так как микроблоки и закрытые поры очень малы, их большая суммарная поверхность может обеспечить диффузионный газовый поток достаточной ин- тенсивности. Основным резервуаром метана в блоковой модели являются за- крытые поры в микроблоках. Кроме этого метан содержится также в открытых порах угля и растворён в теле микроблоков. При десорбции наряду с диффузией из микроблоков происходит фильтрация газа открытыми порами, которая «регулирует» скорость выхода поступающего из микроблоков газа. Согласно публикации [2], на определенной стадии де- сорбции устанавливается баланс потоков газа, выделяемого путем диффузии – ttNtI дд ∂∂= /)()( и фильтруемого порами Пуазейля – ttNI фф ∂∂= /)( . В этом случае можно говорить о равенстве всех потоков: десорбции, фильтрации и диффузии: )()()( tItItI дФдес == . Характерное время десорбции )(tдесτ газа в условиях баланса потоков представляет собой линейную комбинацию характерных времён про- цессов фильтрации )(tфτ и диффузии )(tdτ : [ ] )())(1)(()( ttUtt dфдес τττ ++= (1) Здесь [ ]ttNtNt фф ф ∂∂= )()()(τ , [ ]ttNtNt дд d ∂∂= )()()(τ . Параметры )(tNф и )(tN д отражают количество газа в открытых порах и теле микроблока, соответствен- но. Коэффициент )(/)()( tNtNtU Фзп = характеризует изменяющееся в ходе де- сорбции соотношение количества газа в закрытых )(tN зп и открытых )(tN Ф по- рах угля (фильтрационных каналах). Физический смысл термина «характерное время» следует из вида его анали- тического представления. Так, например, )(tФτ - это условное время необходи- мое для полной дегазации открытых пор и трещин при условии, что их подпит- ка источниками газа отсутствует, а скорость дегазации (поток Ф I ) будет оста- ваться постоянной. В соответствии с этим член в квадратных скобках выраже- ния (1) представляет собой фильтрационную составляющую характерного вре- мени десорбции )(tдесτ и он отражает гипотетическое время, которое необходи- мо для истечения газа, содержащегося в данный момент в закрытых и открытых порах угля, при условии, что поток газа будет оставаться неизменным. Мы предполагаем, что при воздействии на угольный пласт механических напряжений возможны необратимые изменения в структуре угля и, как следст- вие, изменения его сорбционных и десорбционных характеристик. В терминах диффузионно-фильтрационной модели мы вправе ожидать соответствующих изменений составляющих выражения (1). Исследования кинетики выхода метана из каменных углей проводились ме- тодом десорбции в вакуумированный сосуд известного объема. Точность мето- да определяется точностью измерения объема сосуда, его термостатирования и измерения давления газа, собранного в сосуде. Этот метод свободен от влияния Выпуск № 91 131 влажности воздуха и позволяет проводить измерения процесса десорбции дли- тельное время. Чтобы исключить дополнительный варьируемый параметр – влажность угля, для опытов использовались предварительно высушенные об- разцы. На рис. 2 представлена схема установки, которая использовалась для изучения кинетики десорбции метана из угля. Установка состоит из металличе- ского контейнера 1 с образцом угля. Посредством вентиля 2 контейнер сообща- ется с накопительным сосудом 3. Контейнер и накопительный сосуд сообщают- ся через вентиль 4 с вакуумным насосом 5. Контейнер с углём и накопительный сосуд находятся в термостате 6, изготовленном из пенопласта. Изменение дав- ления газа в сосуде 3 регистрируется датчиком давления 7 и соответствующий сигнал поступает в блок памяти компьютера 8. Рис. 2 – Схема экспериментальной установки для регистрации хода десорбции метана из угля. В качестве образцов использовался уголь шахты «Красноармейская- Западная №1». После дробления и отсева на ситах уголь сушился при темпера- туре не выше 3700 К в течении нескольких часов. Качество высушивания кон- тролировалось анализом формы линии спектра ЯМР Н1 по известной методике. Предварительно вакуумированные контейнеры с образцами подключали к баллону со сжатым метаном и выдерживали образцы в метановой атмосфере от 8 до 20 суток (в зависимости от размера гранул угля). После насыщения угля метаном контейнер отсоединялся от баллона и сжатый газ из свободного объё- ма контейнера сбрасывался в атмосферу. Через 10-15 секунд контейнер с на- сыщенным метаном образцом угля через вентиль 2 подсоединялся к накопи- тельному сосуду 3, который был предварительно вакуумирован насосом 5. В дальнейшем, при закрытом вентиле 4 и открытом вентиле 2 производи- лась десорбция метана из угля в накопительный сосуд 3. Объём контейнера, масса угля, а также объём накопительного сосуда подбирались так, чтобы дав- ление нс Р метана, десорбированного из угля в сосуд 3, не превышало ≈ 25 кПа. Таким способом мы сводим к минимуму влияние давления газа в накопитель- ном сосуде на ход десорбции. Система накопительный сосуд − вакуумметр вы- полняет здесь функцию измерительного зонда. И чем больше его объем, тем 1 2 3 4 5 6 7 8 132 "Геотехническая механика" меньше его влияние на ход десорбции. Контрольные измерения показали, что дополнительное вакуумирование сосуда 3 приводит к росту выделения метана из угля не более чем на 1%. В ходе десорбции изменение давления газа Р нс в со- суде 3 ежесекундно регистрировалось датчиком давления 7 и соответствующий сигнал поступает в блок памяти компьютера 8. Диапазон измерений избыточ- ного давления датчиком 7 ограничен 40 кПа. Чувствительность датчика с ана- логово-цифровым преобразователем – менее 1 Па. Информация о ходе измене- ния давления Р нс (t) газа в сосуде 3 в последующем используется для компью- терной оптимизации параметров интерполяционной функции имеющей наи- меньшее среднеквадратичное отклонение от экспериментальных точек. Для ин- терполяции использовалась функция вида Р нс (t) =a(1-(1+bt)-0.5) +c(1-exp(-t/d)), которая, как показывают исследования [10], обеспечивает наилучшее прибли- жение при описании хода десорбции газов. В процессе подготовки и проведения экспериментов выполнялись условия: а) насыщение всех образцов метаном производилось при одинаковом давлении газа – 2,1 МПа; б) регистрация десорбции прекращалась после того, как изме- нение давления газа в накопительном сосуде было меньше 200 Па за сутки. При анализе каждой кривой хода десорбции мы оценивали характерное время десτ заполнения накопительного сосуда газом: ttN tN ttN tNN нс уг нс нснсдес ∂∂ = ∂∂ −= /)( )( /)( )(max τ , (2) где )(tN нс - количество газа, ttN нc ∂∂ )( – скорость изменения количества мо- лекул газа в накопительном сосуде (поток газа из угля), а max нс N - максимальное количество молекул газа в сосуде после завершения десорбции метана из об- разца угля. Последнее равенство в (2) записано в предположении, что в указанных опы- тах по десорбции количество метана в угле )(tN уг определяется выражением )()( max tNNtN нснсуг −= . В этом случае, для характерного времени десорбции метана из угля будем иметь: дес уг угдес уг ttN tN ττ −= ∂∂ = /)( )( . (3) Нас, далее, будут интересовать только абсолютные значения величин десτ и дес нс τ , поэтому при обсуждении опытных данных мы будем использовать одно обо- значение - десτ . Параметры max нс N , )(tN нс и )(tN могут быть определены в резуль- тате графического или компьютерного анализа кривой хода десорбции метана из образца угля. Выбор характерного времени τдес в качестве базового параметра в сравни- тельном анализе кинетики десорбции обусловлен двумя причинами. Одна – это Выпуск № 91 133 высокая чувствительность характерного времени к размеру гранул угля. Вто- рая, не менее важная, обусловлена тем, что величина τ дес не зависит от количе- ства гранул угля в образцах. Число нс N молекул газа, выделившееся в накопительном сосуде объёмом нс V к моменту регистрации, может быть определено по известной формуле уравне- ния состояния газа Tk VtP tN B нснс нс ⋅ = )( )( , где Рнс(t) – давление газа в накопительном сосуде, образовавшееся к момен- ту его регистрации, kB – постоянная Больцмана, T – температура по шкале Кельвина. Относительная погрешность определения Рнс или численного значе- ния Nнс составляла не более 3%. Поскольку consttNtP нснс =)(/)( , то при расчётах величины τдес мы пользовались числовыми значениями давления в накопитель- ном сосуде. Так, например, характерное время десорбции определялось, по аналогии с (2), как ttP tPP нс нс макс нсдес ∂∂ −= /)( )(τ . (4) При десорбции метана из угля величина газового потока ttNI нс ∂∂= /)( связа- на со скоростью изменения давления Рнс в сосуде Vнс: ( ) .IVTtP нсБнс ⋅=∂∂ κ Поскольку в ходе эксперимента температура газа в сосуде Vнс остаётся по- стоянной, можно считать, что изменение величины tP нс ∂∂ полностью соответ- ствует характеру и величине изменения потока I. Поэтому при обсуждении по- лучаемой из эксперимента величины tP нс ∂∂ или её изменения со временем, да- лее, для удобства изложения мы будем пользоваться терминами «поток» или «изменение потока», не забывая, при этом, о существовании между этими ве- личинами коэффициента пропорциональности – нсБ VTκ . Мы изучали ход десорбции метана из четырёх образцов угля, три из кото- рых перед сорбцией предварительно подвергались воздействию напряжений различной величины – уровень шарового тензора в момент разрушения состав- лял 36МПа, 50МПа и 58МПа. Все образцы массой 19г представляли собой мел- кодисперсный порошок угля в гранулах 0.2÷0.25мм. Использовался накопи- тельный сосуд объёмом Vнс = 1755 см3. В ходе эксперимента температура кон- тейнера с углём и накопительного сосуда поддерживалась равной Т=294±1К. На рис. 3 показано изменение давления Рнс в накопительном сосуде в ходе десорбции метана из указанных угольных образцов. Рисунок 4 иллюстрирует 134 "Геотехническая механика" зависимость скорости изменения давления Рнс от величины механических на- пряжений, которым подвергались образцы угля перед насыщением метаном. 0 10 20 0 2x104 4x104 4 3 2 1 a t, sec P HC , kPa Рис. 3 – Изменение давления в накопительном сосуде при десорбции метана из угля в грану- лах 0.2÷0.25 мм: 1- исходный образец угля; 2-, 3-, и 4- образцы угля, которые подвергались разрушению при уровне шарового тензора 36МПа, 50МПа и 58МПа, соответственно. Обращает на себя внимание, что с ростом уровня шарового тензора давле- ние max нс Р , которое образуется в накопительном сосуде после завершения де- сорбции метана, то есть газоносность угля, уменьшается, а начальная скорость выделения метана возрастает. Для того чтобы разобраться в причинах наблюдаемых изменений, следует учесть, что в ходе десорбции происходит трансформация механизма выделения газа. Согласно работе [4], ещё во время подготовки к измерениям, когда мы производим сброс избыточного давления в камере насыщения, имеет место на- чальная фаза десорбции: происходит эвакуация метана из открытых пор и тре- щин угля. Отличительной особенностью начальной фазы является фильтрация газа в открытых порах угля. В этой фазе за несколько десятков секунд давление метана в открытых порах угля уменьшается от исходного (равновесного) зна- чения в несколько МПа до единиц кПа. 5 10 15 20 0 50 100 150 200 t, sec ∂P HC /∂t, Pa/sec 4 3 2 1 Рис. 4 – Зависимость скорости изменения давления в накопительном сосуде объёмом 1755 см3 при десорбции метана из угля от величины механических напряжений. Обозначения такие же, как и на рисунке 3. Выпуск № 91 135 Заключительная фаза, наоборот, отличается большой продолжительностью и слабой интенсивностью выделения газа. В этой фазе переходные процессы завершены, и кинетика десорбции полностью определяется текущим содержа- нием газа в угле, размером куска угля и его структурой. Диффузионный про- цесс становится ведущим, а источником выделяемого газа служат закрытые по- ры микроблоков угля. Как мы уже отмечали, в определённый момент времени возникают условия для установления баланса диффузионного и фильтрацион- ного потоков и этот баланс далее выдерживается до полного выделения газа. Между начальной и заключительной фазами десорбции метана из угля име- ет место продолжительная переходная фаза, в которой происходит смена веду- щей роли механизмов выхода метана – от фильтрации к диффузии. Учитывая реализуемые в данных опытах условия подготовки к измерениям, следует заключить, что регистрация десорбции в нашем случае начинается только с переходной фазы. В первые минуты этой фазы влияние фильтрацион- ных процессов на кинетику десорбции может быть ещё достаточно сильным. Иными словами, значительный вклад в поток газа в самом начале регистрируе- мой десорбции обусловлен не завершенным ещё процессом фильтрации газа транспортными каналами (открытыми порами и трещинами). Согласно теории вязкого ламинарного фильтрационного течения газа, его поток I пропорционален перепаду квадрата давления газа в открытых порах и проницаемости k угля – I ~ )( 2 оп P∆⋅κ . Как видно из рис. 4, при переходе от об- разца 1 угля к образцу 4 поток газа возрастает почти в 1.5 раза. Это однозначно указывает на то, что под воздействием напряжений произошли необратимые изменения структуры угля. Если предположить, что в момент начала регистра- ции десорбции перепад давления метана в открытых порах во всех образцах уг- ля был одинаков, то обнаруженный рост газового потока следует связывать с таким же ростом проницаемости угля. Уменьшение газоносности угля в результате действия механических напря- жений логично связать с разрушением наиболее крупных закрытых пор в таких же крупных микроблоках угля. Таким образом, предварительный анализ кинетики десорбции метана указы- вает на то, что действие высоких уровней напряжений вызывает необратимые изменения в пористой структуре угля. Для более детального анализа, вклю- чающего количественные оценки изменений фильтрационных и диффузионных характеристик угля, нам потребуются аналогичные сведения о кинетике де- сорбции из образцов угля в более крупных гранулах. В работе [13] показан способ, с помощью которого, имея эксперименталь- ные данные о характерном времени десорбции τдес для гранул угля большого R и малого r размера, можно найти величины составляющих выражения (1). При условии одинакового содержания метана в равных по массе двух образцах угля (в гранулах r и R) для составляющих формулы (1) получены следующие выра- жения: 136 "Геотехническая механика" [ ] ; 1 )()( 1)( − − =+⋅ W tt Ut дес r дес Rф r τττ (5) [ ] , 1 ))()(( 1)( − − =+⋅ W ttW Ut дес r дес Rф R τττ (6) , 1 )()( )( − −= W ttW t дес R дес rd τττ (7) В этих выражениях R r I I r R W ⋅= , а rI и RI - потоки газа из образцов угля в малых r и больших R гранулах. Таким образом, проводя опыты по десорбции метана из двух фракций угля, которые испытали воздействие одинаковых напряжений, можно получать ин- формацию о влиянии этих напряжений не только на фильтрационные, но и диффузионные параметры системы угль-метан. Мы провели подобные измерения десорбции метана на двух образцах угля в гранулах размером 2,0÷2,5 мм. Навески угля отсевались после измельчения брикетов, из которых были получены изученные ранее образцы 1 и 4 в гранулах 0,2÷0,25 мм. Масса каждого образца и объём накопительного сосуда были та- кими же, как и в предыдущих исследованиях. Насыщение метаном производи- лось при давлении газа – 2,1МПа в течение 20 дней. На рис. 5 показан ход десорбции метана из образцов 1 и 4 в гранулах 2,0÷2,5 мм. В кинетике десорбции заметны те же особенности, какие получены на об- разцах в мелких гранулах – газоносность угля, подвергавшегося ранее дейст- вию внешних напряжений, уменьшается, а начальная скорость выделения газа при десорбции растёт. Если сравнивать время выхода метана из угля в мелких и крупных гранулах, то можно заметить, что оно отличается почти в 50 раз. Столь большое различие замечено нами впервые. Согласно нашим исследованиям десорбции метана из углей шахт им. А.Ф. Засядько, им. А.А. Скочинского, им. Е.Т. Абакумова величина отношения )(/)( tt дес r дес R ττ находится в пределах от 2 до 4, из угля шахты им. С.М. Кирова ~12, а наибольшее значение (~35) обнаружено для антрацита шахты «Комму- нист». Показано, что высокие значения отношения дес r дес R ττ / характеризуют уг- ли, фильтрационная составляющая десорбции которых значительно превышает составляющую диффузионную: )1( Uф +τ >> dτ . Учитывая изложенное выше, можно ожидать, что в случае углей шахты «Красноармейская-Западная №1» имеет место существенное неравенство фильтрационного и диффузионного вкладов. Выпуск № 91 137 0 10 20 0 2x104 4x104 P HC , kPa t, min 4 1 Рис. 5 – Изменение давления в накопительном сосуде при десорбции метана из образцов угля в гранулах 2,0÷2,5 мм. Обозначения такие же, как на рис. 3. На основе данных, представленных на рис. 3 и 5, с помощью выражений (4- 7) мы получили численные значения вкладов )1()( Utф +⋅τ и )(tdτ . При расчё- тах мы использовали данные, отражающие кинетику заключительной фазы де- сорбции, когда установился баланс потоков фильтрации и диффузии. На рис. 6, 7 и 8 в графическом виде показаны результаты расчётов. Видно, что фильтра- ционная составляющая десорбции )1()( Utф +⋅τ в образце, разрушенном при шаровом тензоре 58 МПа, примерно, в три раза меньше, чем в исходном образ- це. Рис. 6 – Изменение величины )1()( Utф +⋅τ ДЛЯ образцов 1 и 4 в гранулах 0,2÷0,25 мм в зависимости от процентного содержания метана в угле при десорбции. Проведём краткий анализ причин такого изменения. Известно, что, харак- терное время фильтрации определяется вязкостью η газа, открытой пористо- стью γ и проницаемостью κ угля, а также зависит от длины R канала фильт- рации и перепада давления газа )(tP Ф в этом канале: )()( 22 tPRt Ф Ф ⋅= κπηγτ ~ ).(/1 tPS Фоп ⋅ (8) 138 "Геотехническая механика" Выражение для Фτ записано здесь в приближении, что давлением метана на выходе фильтрационного канала можно пренебречь, а параметр оп S ~ γκ / отра- жает площадь сечения канала фильтрации. Рис. 7 – Изменение величины фильтрационного вклада )1()( Utф +⋅τ ДЛЯ образцов 1 и 4 в гранулах 2,0÷2,5 мм в зависимости от процентного содержания метана в угле при десорбции. Рис. 8 – Изменение величины характерного времени диффузии dτ метана из образцов 1 и 4 в зависимости от процентного содержания метана в угле при десорбции. При обсуждении кинетики десорбции метана в первые минуты её регистра- ции мы обнаружили, что проницаемость угля в образце 4 в 1,5 раза больше, чем в образце 1. Это может быть связано как с появлением новых каналов фильтра- ции (открытых пор и трещин) так и с ростом сечения уже существующих. Сле- дуя выражению (8), величина Фτ после пластических деформаций становится меньше. Кроме этого, логично предположить, что пластические деформации сопровождаются частичным «вскрытием» закрытых пор, следствием чего па- раметр )(/)()( tNtNtU Фзп = для образца 4 становится меньше, чем для образца 1. Таким образом, уменьшение фильтрационной составляющей десорбции в образце 4 можно связать с изменением проницаемости угля, и, по-видимому, с изменением структуры закрытых пор угля. Обоснованность последнего пред- положения подтверждается уменьшением сорбционной ёмкости образцов 2-4 и результатами расчёта диффузионной составляющей dτ характерного времени десорбции десτ . Рис. 8 иллюстрирует изменение среднего значения характерного времени диффузии метана dτ по мере истечения газа из образцов угля 1 и 4. Выпуск № 91 139 Из рисунка видно, что: а) с ростом уровня шарового тензора среднее значе- ние характерного времени диффузии dτ метана (через тело микроблоков угля) становится меньше; б) чем меньше метана в угле, тем меньше различие значе- ний dτ в образцах 1 и 4; оно становится незаметным при ≤Q 10% от исходного содержания метана. Уменьшение dτ логично связать с изменениями в микроструктуре угля, ко- торые произошли в результате действия напряжений. Известно, что в нестацио- нарном диффузионном процессе параметры dτ , длина l пути диффузии молекул и коэффициент диффузии D связаны соотношением: Dld 2~τ . При разрушении некоторой части крупных микроблоков их средний размер мб r уменьшается. Логично принять, что и длина пути диффузии это средняя толщина δ тела мик- роблоков - стенок, отделяющих закрытые поры от фильтрационного объёма, также уменьшается. В этом может быть причина уменьшения Dd 2~ δτ . Данные рис. 5 можно использовать для оценки соотношения значений δ в образцах 1 и 4. Используя последнее выражение, мы нашли графический вид изменения соотношения δ1/δ4 от содержания метана в угле при десорбции (рис. 9). Рис. 9 – Вид корреляции между величиной отношения 41 δδ и содержанием метана в образцах угля 1 и 4 при десорбции. Из формулы (1) следует, что в отсутствие фильтрации время выхода газа из угля будет полностью определяться временем диффузии dτ из угольного мик- роблока. Длина пути диффузии δ пока не определена, однако можно предпо- ложить, что в углях, как и во всех не однородных по плотности и составу мате- риалах, существует её дисперсия. В случае, когда под действием напряжений происходит хрупкое разрушение наиболее крупных микроблоков угля и обра- зуются новые, более мелкие, можно говорить об изменении дисперсии пара- метра δ , вызванной изменением дисперсии размера микроблоков. Проведем, далее, краткий анализ результатов расчёта значений dτ с привлечением пред- ставления о дисперсии длины пути диффузии δ . Известно, что истечение газа из мелких блоков происходит быстрее, чем из более крупных. Поэтому при диффузии постепенно будут появляться микро- блоки частично или полностью свободные от метана. Это приводит к тому, что диффузия сопровождается увеличением среднего размера «активных» (содер- 140 "Геотехническая механика" жащих метан) микроблоков. Именно поэтому в заключительной фазе десорб- ции - при малых значениях Q, характерные времена диффузии dτ в образцах 1 и 4 имеют наибольшие значения. Результаты расчётов, представленные на рисунках 8 и 9, указывают на то, что в образце 4 дисперсия длины пути диффузии δ больше, чем в образце 1. Из рисунков видно, что, практически, во всём диапазоне значений Q величина па- раметра dτ и среднее значение δ для «активных» микроблоков в образце 4 меньше, чем в образце 1. И только лишь в завершающей фазе десорбции мы наблюдаем, что 1/ 41 ≈δδ . Следует обратить внимание, что в этом случае речь идёт уже о микроблоках наибольшего размера. Очевидно, что, приложив ещё большее напряжение, мы разрушим и уцелевшие крупные микроблоки. О том, как поведёт себя угольное вещество при дальнейшем повышении внешних на- пряжений сейчас трудно прогнозировать, можно лишь предположить, что окончательное разрушение системы крупных микроблоков и их закрытых пор приведёт к уменьшению сжимаемости угольного вещества. Выводы. Эксперимент показывает, что параметры кинетики десорбции метана из уг- ля чувствительны к воздействию различного вида напряжений. Результаты ла- бораторных исследований дают основание сделать вывод, что высокие уровни напряжения в угольном пласте приводят к необратимым изменениям структуры трещин, открытых и закрытых пор. В частности, установлено, что приложение шарового тензора уровнем 58 МПа вызывает рост фильтрационных характери- стик угля, 3-х кратное сокращение времени его дегазации и уменьшение мета- ноносности угля в 1,5 раза. В результате проведенных исследований можно сделать одно из предполо- жений относительно существования экстремумов на зависимостях физико- механических свойств углей от глубины и залегания в районе 2000 м. При воз- растании уровня шарового тензора (глубин залегания) до 27 МПа происходит разрушение микроблоков угля до определенных размеров, а для того, чтобы разрушить полученные микроблоки необходимо приложить более высокие уровни тензора, отсюда возрастание модулей деформации и сдвига, объемной прочности с возрастанием глубины залегания угольных пластов более 2000 м. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Влияние вида напряженного состояния на сорбционные свойства углей при их разрушении в условиях объемного неравнокомпонентного сжатия / В.А. Васильковский, В.Н. Ревва, Е.В. Ульянова и др.// Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. – Днепропетровск, 2007. -№ 69. 2. Васильковский В.А. Фазовые состояния и механизмы десорбции метана из угля/ В.А. Васильковский, А.Н. Молчанов, Н.А. Калугина // Физико-технические проблемы горного производства: Сб.науч.тр. ИФГП НАНУ. – Донецк, 2006. –Вып.9. 3. Васильковский В.А. Некоторые аспекты интерпретации кинетики десорбции метана из каменного угля/ В.А. Васильковский, Е.В.Ульянова // Физико-технические проблемы горного производства: Сб.науч.тр. ИФГП НАНУ. – Донецк, 2006. –Вып.9. 4. Алексеев А.Д. Фазовые состояния и распределение метана в ископаемых углях / А.Д. Алексеев, В.А. Ва- сильковский// Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. – Днепропетровск, 2008. -№ 73. 5. Васильковский В.А. Метод определения фильтрационной и диффузионной составляющих характерного времени десорбции метана из каменного угля/ В.А. Васильковский// Вісті Донецького гірничого інституту. – Донецьк, 2008. - № 1.

Влияние уровня шарового тензора на физико-механические свойства углей при их разрушении в объемном поле сжимающих напряжений

Institution

Ähnliche Einträge