Tytuł:
Wyrzuty węgla i gazu w aspekcie badań eksperymentalnych zjawisk gazodynamicznych w brykietach węglowych nasyconych gazem
Autor:
Marek Gawor
Statystyka:
- ilość stron: 164,
- ilość rysunków: 86 (w tym 6 kolorowych),
- ilość tabel: 6,
- ilość pozycji w spisie literatury: 121.
Streszczenie:
Najbardziej skomplikowanymi i groźnymi zjawiskami występującymi w kopalniach, ze względu na ich następstwa są wyrzuty skał i gazów. W przypadku tych katastrof mamy do czynienia zarówno z niszczącym działaniem poruszających się mas powyrzutowych, stanowiących zagrożenie dla ludzi, urządzeń górniczych i samego wyrobiska, jak również z niebezpieczeństwem związanym z uwalnianiem się dużych ilości gazu. Wykonanie badań wyrzutu mas skalno-gazowych in situ jest, ze względu na warunki bezpieczeństwa, praktycznie niemożliwe. Dlatego w laboratoriach podejmowane są próby symulacji tego zjawiska (miniwyrzuty).
W pracy przedstawiono badania związane z oddziaływaniem gazu z węglem kamiennym. Szczególnie uwzględniono procesy dynamiczne zachodzące w stanach niestacjonarnych. Badano kinetykę procesu sorpcji gazu na węglu, filtrację gazu w ziarnach węglowych, filtrację gazu w brykietach węglowych oraz zjawiska zachodzące podczas procesu wyrzutu brykietów węglowych nasyconych gazem.
W celu określenia szybkości sorpcji i desorpcji gazu na węglu kamiennym wykorzystano efekty cieplne związane z energią oddziaływania cząsteczki gazu z powierzchnią ciała stałego. Podano szczegółowy opis stanowiska pomiarowego pozwalającego na wyznaczenie stałej czasowej sorpcji. Wartość stałej czasowej sorpcji wyznaczono, dopasowując rozwiązania równania bilansu ciepła termometru z naniesioną warstwą węgla podczas sorpcji. Eksperymenty wykazały, że stała czasowa sorpcji jest nie większa niż 50 s.
Kolejnym rozważanym w pracy problemem, była szybkość wydzielania się gazu z ziaren węglowych. Przedstawiono opis stanowiska pomiarowego oraz wyniki eksperymentów, które pozwoliły na wyznaczenie współczynnika filtracji. Filtrację gazu w ziarnach węglowych opisano nieliniowym równaniem parabolicznym. Model teoretyczny weryfikowano z eksperymentem. Proces wydzielania się gazu z ziaren węglowych zachodzi stosunkowo szybko. Już po upływie 10 s z ziaren o wielkości od 25 do 32 m wydziela się 20% zasorbowanego gazu. Spostrzeżenie to może mieć istotne znaczenie praktyczne przy ocenie zawartości gazu w węglu np. przy stosowaniu desorbometrycznej metody oceny ilości gazu wykorzystywanej jako wskaźnik zagrożenia wyrzutami. Wykazano, że większa pojemność sorpcyjna węgla nie świadczy o jego skłonnościach wyrzutowych. Istotna jest szybkość wydzielania się gazu. Porównanie szybkości wydzielania się gazu z węgli pochodzących z pokładów wyrzutowych i niewyrzutowych prowadzi do wniosku, że z węgli niewyrzutowych gaz uwalnia się szybciej.
Badano również szybkość filtracji gazów w brykietach węglowych. Przedstawiono model teoretyczny oparty na założeniu, że w węglu istnieją trzy systemy porów. W systemie mikroporów następuje wydzielanie się gazu zasorbowanego — ilość wydzielonego gazu jest proporcjonalna do ciśnienia panującego w makroporach. W systemie makroporów następuje filtracja gazu, której kinetykę określa współczynnik filtracji D2. Wydzielony gaz z makroporów transportowany jest na zewnątrz brykietu poprzez system porów międzyziarnowych. Szybkość filtracji gazu w tym systemie porów określona jest przez współczynnik filtracji D1. Przedstawiono opis stanowiska eksperymentalnego do pomiaru ciśnienia gazu podczas niestacjonarnej filtracji gazu. Przeprowadzono weryfikację modelu teoretycznego i wyników eksperymentu. Zaproponowany model filtracji gazu może posłużyć do oceny stanu naprężeń brykietu (górotworu) podczas zmiany ciśnienia gazu.
Kolejnym celem pracy było poznanie zjawiska miniwyrzutu, to znaczy wyrzutu brykietu węglowego nasyconego gazem. W celu oceny dynamiki procesu destrukcji brykietów zbudowano specjalne stanowisko pomiarowe. Stanowisko umożliwiało: formowanie brykietów, pomiar ciśnienia na pobocznicy brykietu, odkształcenia i temperatury brykietu w jego środku oraz wykonywanie zdjęć destrukcji brykietu. Specjalne oprogramowanie umożliwiało akwizycję napięć z czujników pomiarowych oraz sterowanie parametrami pracy szybkiej kamery.
Dynamikę procesu wyrzutu można określić poprzez badanie prędkości jego destrukcji. Najbardziej rozpowszechnioną metodą pomiaru szybkości destrukcji brykietu jest pomiar spadku ciśnienia gazu na pobocznicy brykietu. Zakłada się, że gwałtowny spadek ciśnienia następuje w momencie pęknięcia brykietu i utworzenia płatka. Pomiaru prędkości destrukcji można też dokonać za pomocą specjalnie skonstruowanych tensometrów rezystancyjnych albo poprzez pomiar temperatury brykietu. Przejście fali kruszenia poprzez tensometr powoduje jego rozerwanie.
Najwięcej informacji dotyczących sposobu powstawania płatków, formowania szczelin, prędkości destrukcji, ruchu płatków po oderwaniu od brykietu, dostarczają zdjęcia rozpadu brykietu. Synchronizacja systemu rejestracji, moment wykonania zdjęć i pomiar napięć z przetworników, umożliwiła korelację zjawisk mechanicznych — powstawanie płatków i termodynamicznych — zmiany ciśnienia gazu, odkształcenia brykietu i jego temperatury.
Analiza wykonanych zdjęć prowadzi do wniosku, że proces kruszenia brykietu przebiega ze zmienną prędkością. W początkowym stadium procesu prędkość destrukcji jest stała i należy od rodzaju gazu nasycającego brykiet. Prędkość ta jest dwukrotnie większa w przypadku, gdy gazem nasycającym jest hel, niż dwutlenek węgla. W końcowej fazie proces ulega opóźnieniu. Przedstawione dane dotyczące prędkości destrukcji brykietu i prędkości ruchu płatków świadczą o dużej dynamice procesu. Różnice w kinetyce procesu destrukcji brykietu w fazie początkowej i końcowej możliwe są do wychwycenia jedynie poprzez analizę wykonanych zdjęć. Odrywające się od brykietu płatki poruszają się ruchem przyspieszonym. Największa prędkość płatków, dochodząca do 20 m/s, występuje na czole brykietu.
Metody wiarygodnej prognozy pojawienia się wyrzutu w danym miejscu i określonym czasie powinny być oparte nie tylko na bezpośrednim doświadczeniu nabytym w długoletniej praktyce górniczej, ale również na wynikach badań laboratoryjnych umożliwiających lepsze zrozumienie natury i mechanizmu zjawiska wyrzutu. Podczas przenoszenia wyników badań laboratoryjnych na warunki kopalniane należy uwzględnić: różną skalę zjawisk, różnice badanych materiałów skalnych, różnice w warunkach brzegowych i początkowych.