Tytuł:
Zmiany stanu naprężenia i wytężenia materiału w trakcie prowokowania i inicjacji laboratoryjnego wyrzutu skalno-gazowego
Autor:
Mirosław Wierzbicki
Statystyka:
- ilość stron: 140,
- ilość rysunków: 85 (w tym 6 kolorowych),
- ilość tabel: 14,
- ilość pozycji w spisie literatury: 94.
Streszczenie:
Pośród zagrożeń naturalnych towarzyszących podziemnej eksploatacji węgla kamiennego najtrudniejsze w opisie są zagrożenia związane z występowaniem zjawisk o charakterze dynamicznym. Do grupy tych zjawisk należą m.in. nagłe wyrzuty skalno-gazowe. Nagły wyrzut skalno-gazowy jest to zachodzące w sposób dynamiczny zjawisko niszczenia struktury pierwotnej skały wraz z odrzutem produktów destrukcji do przestrzeni wolnej. Warunkiem koniecznym wystąpienia wyrzutu jest obecność w porach skały gazu, pod ciśnieniem wyższym od ciśnienia gazu w przestrzeni wolnej, graniczącej ze skałą. Ani nauka, ani ruch górniczy nie dopracowały się dotychczas zobiektywizowanych metod przewidywania występowania tego zjawiska w oznaczonym miejscu i czasie.
Monografia stanowi prezentację pewnego modelu zjawiska wyrzutu skalno-gazowego. Szczególną uwagę zwrócono na procesy zachodzące w materiale w czasie bezpośrednio poprzedzającym inicjację zjawiska. Fazę tą nazywamy prowokowaniem wyrzutu. Model opiera się na warunkach równowagi sił działających ośrodek porowaty. Zaprezentowano również liczne wyniki prac eksperymentalnych na unikatowym stanowisku, przeznaczonym do obserwacji wyrzutów brykietów węglowych w warunkach laboratoryjnych. Uwzględniono dwa rodzaje naprężeń istniejących w materiale. Pierwszy z nich — naprężenia pozostałe w brykiecie węglowym po procesie jego przygotowania (prasowania) — obliczony został metodą elementów skończonych. Drugi składnik stanu naprężenia to naprężenia związane z istnieniem gazu w przestrzeni porowej ośrodka. Zastosowanie do opisu filtracji nieliniowego równania filtracji gazu przez brykiety węglowe pozwoliło na odtworzenie czasoprzestrzennego rozkładu ciśnienia porowego w trakcie trwania procesu prowokowania zjawiska. To z kolei umożliwia ocenę rozkładu i wartości zmiennych w czasie i przestrzeni naprężeń, wywołanych obecnością gazu w brykiecie.
Wyniki badań laboratoryjnych przeprowadzonych na „stanowisku rury wyrzutowej”, polegających na rejestrowaniu zmian ciśnienia porowego w trakcie prowokowania, pokazały, że:
- niezwykle ważnym elementem procesu prowokowania laboratoryjnego wyrzutu jest tempo, z jakim zmienia się ciśnienie gazu, przed czołem nasyconego gazem brykietu. Wzrost tempa spadku ciśnienia gazu przed brykietem skutkuje wzrostem maksymalnej wartości rozciągającego naprężenia gazowego, a miejsce wystąpienia maksimum tego naprężenia zbliża się do czoła brykietu,
- poprawa własności filtracyjnych brykietów węglowych prowadzi do spadku wartości naprężeń gazowych, których występowanie jest warunkiem koniecznym wystąpienia wyrzutu,
- zwiększenie wartości ciśnienia nasycania brykietów węglowych, przy niezmiennych pozostałych parametrach granicznych procesu prowokowania, powoduje wzrost wartości maksimum absolutnego naprężenia gazowego.
Analiza wypadkowego stanu odkształcenia brykietów o porowatości 20,5% wykazała, że podczas prowokowania wyrzutu, w osi brykietu węglowego występuje maksimum względnego odkształcenia w kierunku osiowym. Średnia wartość tego odkształcenia w momencie inicjacji jest wyższa od analogicznych wartości w eksperymentach, w których prowokacje nie zakończyły się inicjacją zjawiska. Wyniki eksperymentalne zdają się pokazywać, że inicjacja wyrzutu może następować na skutek przekroczenia maksymalnego wydłużenia względnego materiału.