Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах Смирнов Вячеслав Геннадьевич

Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах
<
Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Смирнов Вячеслав Геннадьевич. Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах: диссертация ... кандидата физико-математических наук: 02.00.04 / Смирнов Вячеслав Геннадьевич;[Место защиты: Кемеровский государственный университет].- Кемерово, 2015.- 134 с.

Содержание к диссертации

Введение

Глава. 1. Состояние вопроса по исследованию влияния различных форм связи метана с угольной матрицей на формирование газодинамических процессов в краевых зонах угольных пластов 10

1.1. Внезапные выбросы угля и газа при подземной разработке угольных пластов 11

1.1.1. Внезапные выбросы угля и газа на шахтах мира, России, Кузбасса 11

1.1.2. Природа и механизм внезапных выбросов угля и газа 14

1.1.3. Методы прогноза и способы предотвращения внезапных выбросов 19

1.1.4. Детали теории внезапных выбросов угля и газа, требующие уточнения 21

1.2. Метан и его содержание в угольных пластах 23

1.2.1. Формы связи метана с угольной матрицей 23

1.2.2. Особенности структуры природного угля

1.3. Клатратные соединения, газовые гидраты метана в угольной матрице 30

1.4. Выводы 36

1.5. Цель и задачи исследования 37

Глава. 2. Экспериментальные исследования образования и разложения газовых гидратов метана в порах природного угля 38

2.1. Требования к экспериментальной установке 38

2.2. Общая схема и технические характеристики установки 40

2.3. Сорбционный анализ образца угля 44

2.4. Фазовые превращения метана при разложении газовых гидратов в порах угольной матрицы 48

2.5. Выводы 58

Глава. 3. Количественные закономерности и условия разложения газовых гидратов метана в порах природного угля 59

3.1. Термобарические точки разложения и образования газовых гидратов метана в порах природного угля з

3.2. Количество влаги в порах угля, вовлекающейся в гидратообразование 64

3.3. Состояние воды в порах природного угля 72

3.4. Энергия активации процесса разложения и образования гидратов метана в порах природного угля 76

3.5. Выводы 83

Глава. 4. Влияние объема образующихся трещин в краевой зоне угольного пласта на устойчивость газогидратов 84

4.1. Энергетическая оценка трещинообразования 84

4.2. Силовая оценка трещинообразования 88

4.3. Образование и взаимодействие трещин 92

4.4. Увеличение свободного объема, доступного для газовой фазы и его влияние на разложение газовых гидратов 99

4.5. Выводы 104

Глава. 5. Влияние фазовых превращений метана на формирование газодинамических явлений 105

5.1. Параметры состояния газовой фазы и количественные оценки

фазовых превращений метана в порах и трещинах угольного пласта 106

5.2. Поглощаемая теплота фазового перехода, время установления температурного равновесия 108

5.3. Влияние свободной, сорбированной и газогидратной форм метана на ускоряющийся рост трещин и развитие внезапного выброса угля и газа 114

5.4. Выводы 120

Заключение 121

Список литературы

Природа и механизм внезапных выбросов угля и газа

Ведущими учеными исследовался [2, 3, 4, 6, 22-23, 32, 35, 46-49, 51-54, 58-64, 85-91, 117] механизм зарождения состояний, из которых может развиться внезапный выброс, определялись основные параметры, непосредственно влияющие на выбросоопасность пласта и позволяющие точнее предсказывать внезапный выброс. Над проблемой внезапных выбросов угля и газа работали академики А. А. Скочинский, С. А. Христианович, А. Д. Алексеев (Украина), М. В. Курленя, В. Н. Опарин, профессора А. В. Докукин, Г. Д. Лидин, В. В. Ходот, А. Э. Петросян, Б. М. Иванов, Г. Н. Фейт, О. И. Чернов, Е. С. Розанцев, В. Н. Пузырев, В. И. Мурашев, В. С. Зыков, И .В. Бобров, В. И. Николин, А. Е. Ольховиченко, И. М. Петухов, А. М. Линьков, П. В. Егоров, В. В. Дырдин, Б. Г. Тарасов, А. Т. Айруни.

Наряду с газовой гипотезой, модифицированной описанием сорбционных процессов, рассматриваются [2, 3, 4, 6, 22-25, 35, 54, 58, 62-64, 82-91, 117] гипотезы местной нарушенности и трещиноватости отдельных областей угольных пластов, гипотезы о тектонических процессах перегревания угля и тектонической концентрации напряжений, влияние концентрации напряжений вблизи горных выработок на появление внезапных выбросов. Между давлением газа в угольном пласте и опасностью пласта по внезапным выбросам нет непосредственной связи, однако существует порог газового давления в угольных пластах, ниже которого выброс не возникает. Предвестниками внезапных выбросов являются: сдвижения вмещающих пород и участка угольного пласта, усиление горного давления на крепь; треск, хлопки, глухие удары, гул, доносящиеся из глубины массива; осыпание, шелушение, стреляние, повышенное газовыделение; понижение температуры забоя и угольного пласта [85].

Проф. В. В. Ходотом [85] определены закономерности и энергетические параметры зоны предельного напряженного состояния угля. Оценена энергия разрушения и отжима угля при продвижении забоя, при смене напряженных состояний. Приводятся сведения о лабораторных экспериментах по моделированию внезапных выбросов, в которых основным фактором возбуждения выброса является внезапное изменение напряженного состояния лабораторного образца. Фактор внезапности в натурных условиях проф. В. В. Ходот связывает с резким изменением прочностных свойств или условий залегания угольного пласта. Рассчитана работа разрушения угля с учетом требуемой энергии для создания новых поверхностей разрушения и работы, необходимой для отжима и сдвижения части пласта.

Академиком С. А. Христиановичем [62, 86-89] рассмотрено состояние массива, предшествующее выбросу и отдельные этапы выбросов, исходя из физических и математических моделей газонасыщенного пористого угольного массива. С учетом фильтрационных свойств внутри угольного пласта рассчитан градиент газового давления вдоль оси забоя. Внезапному выбросу угля и газа, по мнению С. А. Христиановича, предшествует система ориентированных трещин, плоскости которых параллельны фронту забоя. Сам процесс выброса рассматривается как послойное отделение разрушенного угольного вещества за счет сил давления сжатого газа, заключенного в порах. Основная роль в возникновении выброса отводится газу, заключенному в угольных порах. В качестве оценки возможности начала выброса, по его мнению, требуется возникновение градиента газового давления порядка десяти атмосфер на 1 мм. На основании современных экспериментальных данных [35, 54, 85] такая оценка представляется несколько преувеличенной.

Несмотря на то, что модели, построенные проф. В. В. Ходотом и академиком С. А. Христиановичем, достоверно отражают основные этапы и закономерности явления внезапных выбросов, часть факторов ими не учитывается. Не рассмотрен механизм возникновения системы ориентированных трещин. Не уточняются механизм перехода в газовую фазу больших количеств метана и возникающие при этом тепловые эффекты. Не затрагивается вопрос о возможных формах связи метана с угольной матрицей. Отсутствует анализ напряженного состояния вблизи забоя выработки, с учетом конечности размеров и формы забоя.

Сравнивая теорию В. В. Ходота с положениями, высказанными академиком С. А. Христиановичем, отметим, что по С. А. Христиановичу основным энергетическим и силовым фактором происходящих внезапных выбросов угля и газа является энергия свободного газа, сжатого в угольных порах до давления в десятки атмосфер. Однако, исходя из энергетического баланса проф. В. В Ходота, основные запасы энергии, реализуемые при внезапных выбросах угля и газа, содержатся в упругодеформированных вмещающих породах краевой зоны угольного пласта. Предполагается, что основным фактором выборосоопасности является напряженное состояния выбросоопасного участка, но не решается вопрос участия в нем метана. В настоящее время, даже с учетом приведенных энергетических оценок, не построена детальная модель, описывающая механизм образования и взаимодействия ориентированных трещин, а также роль различных форм связи метана с угольной матрицей, приводящие к мгновенному переходу в газовую фазу больших количеств метана.

На протяжении следующих десятилетий многими учеными были введены уточнения и построены разнообразные теории внезапных выбросов, определяющие в качестве ключевого тот или иной фактор, или предполагающие одинаковое значение нескольких факторов. Исследовались виды напряженного состояния призабойного объема, формы и количество содержащегося метана, возникновение трещин и их влияние на напряжения и газосодержание. Данные вопросы исследовались применительно к проблеме внезапных выбросов угля и газа, а также сами по себе [3, 9, 13, 17, 20-26, 35, 46-49, 51-54, 58-59, 62-64, 82-91, 96-99], как имеющие существенное значение для технологии ведения горных работ.

В обзоре [117] австралийских ученых также обсуждается вопрос о причинах и механизме внезапного выброса угля и газа. Для объяснения механизма внезапного выброса угля и газа авторы обзора ссылаются на труды многих ученых, в том числе на работы российских исследователей: В. В. Ходота (1951), И. Л. Эттингера (1952), С. А. Христиановича (1953), А. А. Скочинского (1954). Они также считают, что внезапный выброс является результатом одновременного влияния нескольких факторов. Первый - это горное давление, приводящее к разрушению краевой зоны угольного пласта, изменению фильтрационной способности массива и перераспределению газового давления. Второй - высокое содержание газа, быстрый выход газа из дополнительно образующихся поверхностей при разрушении угля и при снижении механических нагрузок. Газ также участвует в отбросе и выносе угля. Третий фактор - физические и механические свойства угля, среди которых способность разрушаться при механических нагрузках, скорость начального газовыделения и газоемкость угля. Т. е. они повторяют положения, уже высказанные российскими учеными в научной печати [79, 81-83].

Сорбционный анализ образца угля

Экспериментальная установка [25-26], описанная ниже, разработана в лаборатории клатратных соединений ИНХ СО РАН под руководством д.х.н. А. Ю. Манакова. Она моделирует термобарические условия, близкие к природным условиям залегания угольного пласта. Для увеличения точности проведены улучшения экспериментальной установки как в плане уменьшения «паразитного объема», доступного для газовой фазы, так и с целью уменьшения влияния на внутренний объем внешних воздействий. Снижены вибрации, передаваемые на автоклав, проведена экранировка подводящих проводов и выполнено заземление корпусов приборов.

Основными элементами экспериментальной установки (рис. 2.1) были программируемый термостат 1 и помещенный в него автоклав 2 с углем и метаном. Температура теплоносителя и газовое давление в автоклаве регистрировались при помощи чувствительных датчиков температуры 4 и давления 5, сигнал от которых, сформированный аналого-цифровым преобразователем 6, записывался на компьютер 7, используемый как самописец.

В автоклав помещается уголь заданной влажности и создается давление метана, близкое к давлению природного метана в угольных порах ненарушенного пласта. Автоклав закрыт, количество метана внутри автоклава не изменяется, но может перераспределяться между газовой фазой и конденсированным, связанным с угольной матрицей, метаном.

Рис. 2.1. Схема экспериментальной установки: 1 - программируемый термостат;2 - автоклав с углем и метаном; 3 - газовый кран; 4 и 5 - датчики температуры и давления; 6-АЦП(mit8); 7-самописец (ПК)

Автоклав, имеющий теплопроводящие металлические стенки, помещен в криостат с программируемой скоростью изменения температуры теплоносителя. Реакция системы уголь - метан на изменение температуры фиксируется по изменению давления в газовой фазе. На персональный компьютер с интервалом несколько секунд записываются показания датчика давления и датчика температуры. Количество вещества в газовой фазе определяется расчетом по уравнению состояния реального газа на основании известного объема газовой фазы автоклава.

В качестве криостата использовался термостат марки «КРИО-ВТ-01», предназначенный для поддержания заданной температуры жидкого теплоносителя, циркулирующего во внутренней ванне термостата и в подключенных внешних потребителях. В наших экспериментах в криостате использовалась охлаждающая жидкость ОЖ 40 (ТОСОЛ А-40), ГОСТ 28084-89, при этом диапазон регулирования температуры был от -30 до +100 С. Информация о термостате находится на сайте производителя «termexlab.ru».

В соответствии с техническими параметрами производитель гарантирует: а) нестабильность поддержания установленной температуры в течение 1 ч в пределах ±0.1 К; б) неоднородность температурного поля в рабочем объеме термостата в пределах ±0.1 К. Точность поддержания температуры определяется не только характеристиками криостата, но и внешними условиями, в которых он работает, а также свойствами термостатируемого объема. В оптимальных условиях работы термостата увеличивается точность поддержания температуры. Для режима работы термостата - программируемого линейного повышения температуры - был получен экспериментальный ряд измерения температуры теплоносителя от -19 до +15 С. Коэффициент корреляции между рядом экспериментальных значений температуры и линейной аппроксимацией был выше, чем 0,9999. Среднеквадратичное отклонение экспериментальных значений температуры от линейной аппроксимации составило 8Т = 0.5 10 3 К.

Для измерения температуры нами использовался многоканальный прецизионный измеритель температуры (прецизионный термометрический мост постоянного тока) МИТ 8, предназначенный для высокоточных измерений температуры, электрического сопротивления и напряжения постоянного тока, в том числе используется при проведении поверочных (калибровочных) работ. С этим прибором в качестве первичных преобразователей температуры применялся стандартный медный термометр сопротивления ТМС-50М, а также хромель-капелевая термопара с программной компенсацией температуры холодного спая. В качестве подключаемых к МИТ 8 первичных преобразователей могут использоваться датчики с унифицированным выходным сигналом (датчики температуры, давления, влажности и другие).

Прибор МИТ 8 имеет восемь входных каналов, которые измеряют сигналы от разных типов датчиков температуры, а также активное сопротивление и напряжение постоянного тока. При измерении температуры прибор сначала измеряет сопротивление термометра сопротивления (ТС) или термоЭДС термопары (ТП), а затем по введенным статическим характеристикам преобразования вычисляет температуру. Статические характеристики преобразования вводятся в измеритель температуры МИТ 8 при помощи персонального компьютера и при помощи ручек управления (модификации МИТ 8. ЮМ, МИТ8.10М1 и МИТ 8.15). Каждый канал МИТ 8 настраивается независимо от других: калибровочная характеристика, ток питания ТС, размерность (Ом, С, мВ).

Точность измерения температуры по сведениям производителя составляла 0.4-10 С. Относительная точность измерения сопротивления и малых напряжений гарантировалась 0.5-Ю-6. Многоканальный прецизионный измеритель температуры МИТ 8 накапливал показания по каждому каналу в течение 2-14 секунд (в зависимости от выбранных настроек), затем преобразовывал экспериментальные данные в цифровую форму. Данные записывались в память компьютера, используемого как самописец. Информация производителя прибора МИТ 8 на сайте «www.iztech.ru».

К одному из каналов МИТ 8 были подключены микроэлектронные преобразователи избыточного давления МИДА-ПИ-51, предназначенные для непрерывного пропорционального преобразования в нормированный по начальному значению и диапазону измерения выходной сигнал постоянного напряжения. Диапазон измеряемого избыточного давления был 0 -16 МПа. Точность сигнала (определяемая как корень квадратный из суммы квадратов нелинейности, вариации и повторяемости) по сведениям производителя составляла 10 3. Информация о преобразователях давления находится на сайте производителя «midaus.com».

Количество влаги в порах угля, вовлекающейся в гидратообразование

Влага, сорбированная углем из воздуха, находится внутри угольных пор под воздействием силовых полей, создаваемых поверхностью угля, а в мелких порах становятся существенны капиллярные эффекты. Вода распределена в виде тонких пленок и капелек, различных размеров. Различается энергия взаимодействия у различных «порций» воды, находящейся в непосредственной близости к поверхности угля либо на удалении в несколько молекулярных слоев. Можно предположить также, что молекулы воды, находящиеся в первом слое на поверхности угля, образуют ближний порядок ориентационной координации не только между собой, но и с функциональными группами поверхности угля. Данные вопросы обсуждались в первой главе диссертации.

С другой стороны, для возникновения кристалла газового гидрата необходимо существенное количество молекул воды, и у этих молекул должна быть возможность изменять свою ориентацию, образовать кристаллическую решетку. Размер структурный единицы кристалла газового гидрата составляет 1.2 нм, т.е. порядка трех-четырех молекулярных слоев. При подходящих термобарических условиях объемное кристаллогидратное состояние является энергетически более выгодным.

Можно ожидать, что не вся сорбированная углем из воздуха влага (называемая также равновесной, гигроскопической, органической или матричной влагой) находится в состояниях, пригодных для образования газовых гидратов. На долю воды, способной образовывать газовый гидрат, влияет размер свободного порового пространства угля и характер взаимодействия молекул воды с фрактальной поверхностью угольного вещества. Для оценки количества воды, вовлекаемой в гидратообразование, примем усредненную формулу [27] газового гидрата метана СН4 6Н20 и по рассчитанному на основе экспериментальных данных количеству метана, покидающего или переходящего в газовую фазу, определим количество образованного или распавшегося гидрата. Для расчета количеств метана в газовой фазе для установочных экспериментов (207 и 208) нами использовалось уравнение состояния реального газа - уравнение Ван-дер-Ваальса. Для всех остальных экспериментов, перечисленных в табл. 3.1, расчет количества вещества в газовой фазе (п) проводился [65] по уравнению состояния реального газа PV = znRT, применимого, когда давление и температура газа становятся соизмеримы с Тс, Рс - температурой и давлением метана в критической точке. Коэффициент сжимаемости z = PV/RT, как функция приведенного давления Р/Рс и приведенной температуры Т/Тс, определяется по экспериментальной диаграмме

Нельсона - Оберта. Так как для каждого опыта мы имели экспериментальный ряд из нескольких тысяч значений, то для расчета количества вещества в газовой фазе автоклава с углем и метаном необходима была аналитическая зависимость коэффициента сжимаемости от давления и температуры. Критические параметры метана Рс =4.449 МПа , Тс =190.6 К известны [65, 77-78]. Для проводимых экспериментов диапазон изменения приведенного давления был 0.4-=-1.6, а приведенной температуры 1.25-=-1.6, в середине этого диапазона для точки Р/Рс = 1, Т/Тс =1.4 по диаграмме сжимаемости определено z = 0.888 - значение коэффициента сжимаемости. Отклонение от этой точки задавалось безразмерными параметрами х = {Р/Рс)-\ и у = (т/Тс)-\Л. В интересующем диапазоне параметров -0.6 х 0.6 и -0.15 у 0.2, на основе диаграммы Нельсона - Оберта было выбрано 150 равноотстоящих друг от друга точек, значение коэффициента сжимаемости в этих точках сначала было определено по диаграмме, а затем аппроксимировалось выражением

На основании измеренного в каждый момент времени давления и температуры, а также рассчитанного коэффициента сжимаемости метана было определено количество метана в газовой фазе автоклава. Для каждого из экспериментов построен график зависимости количества метана в газовой фазе автоклава от времени, и сопоставлен с изменением температуры и давления в автоклаве. На рис. 3.3 изображены зависимости, полученные для одного из экспериментов (код 711). Для каждого из проведенных экспериментов (табл. 3.3) с целью расчета количеств разлагающегося газогидрата построены подобные графики, они выглядят аналогично рис. 3.3 и здесь не приводятся. Изменение количества вещества в газовой фазе происходило не только из-за образования и разложения газовых гидратов метана в порах природного угля, но и также в связи сорбцией и десорбцией метана на поверхности угля.

Увеличение свободного объема, доступного для газовой фазы и его влияние на разложение газовых гидратов

В краевой зоне угольного пласта возникают сдвиговые деформации из-за того, что линии действия сил трения и сил горного давления не совпадают. На границе угольного пласта с вмещающими породами действуют касательные силы трения. Они уравновешивают горизонтальную проекцию силы горного давления, приложенную в глубине пласта по всей его площади.

Наибольшая величина сдвиговых напряжений достигается вблизи границ угольного пласта с почвой и кровлей. В то же время со стороны почвы и кровли на угольный пласт действуют сжимающие напряжения, направленные по нормали к угольному пласту. Величину сжимающих напряжений - с примем равной jH, т. е. горному давлению ненарушенного пласта. Величину тангенциальных напряжений можно оценить исходя из баланса сил, спроецированных на ось забоя: т = yH{R/2L), где R - радиус выработки, a L -размер зоны влияния выработки. В реальности сдвиговые напряжения имеют наибольшее значение на границе зоны упругого и неупругого деформирования угольного пласта и убывают вглубь угольного массива.

Оценим величину растягивающих напряжений и ориентацию плоскостей образующихся трещин. Рассмотрим суперпозицию сдвиговых и сжимающих напряжений, для чего в деформированной среде выделим куб, достаточно маленький, чтобы можно было считать напряжения вдоль каждой его грани постоянными. Как известно, сдвиговые деформации создаются тангенциальными напряжениями т, приложенными вдоль каждой из граней, как показано на рис. 4.2 [38, 67]. Куб выбран так, что тангенциальные напряжения, перпендикулярные плоскости рисунка, отсутствуют, а нормальные напряжения, перпендикулярные рисунку, одинаковы. Дополнительно к сдвиговым напряжениям куб подвержен вертикальным сжимающим напряжениям а, как показано на рисунке.

Через ребро куба проведем плоскость под углом а к одной из граней и рассмотрим полученную треугольную призму. Призма находится в равновесии, значит сила, действующая на наклонную грань, равна (противоположна по направлению) векторной сумме сил, действующих на остальные грани [38, 67]. По поверхностям, совпадающим с участками граней куба, действуют силы: вертикальная F = та2 - oa2tga, горизонтальная Fz = ra2tga, угол между горизонтальной осью и вектором силы удовлетворяет условию: tgP = —

Определим положение грани, при котором действующая на эту грань сила будет нормальна к ее плоскости. Это положение соответствует ориентации растущих трещин, т. е. найдем плоскость, в которой отсутствуют касательные напряжения. Из условия tga = tgP получим квадратное уравнение

На границе зоны влияния выработки впереди забоя, где и может начинаться трещинообразование в самых слабых пачках угольного пласта, a»т 91 сжимающие напряжения гораздо больше сдвиговых. Из (4.3) следует: tga «т/a«1, т. е. угол близок к нулю и ориентация образующихся трещин практически перпендикулярна оси забоя. При этом величина растягивающих напряжений будет: з =т(т/а), это значение не очень велико, но для угля выбросоопасных пачек предел прочности на растяжение близок к нулю и наличие растягивающих напряжений приводит к началу образования ориентированных трещин.

Вблизи забоя отношение т/a возрастает, угол между фронтом забоя и ориентированными трещинами (4.3) достаточно быстро приближается к величине 45 . При отношении касательных и нормальных (4.3) напряжений равном единице (т/ з = 1) угол равен 42, а величина растягивающих напряжений о становится сравнима с уН - горным давлением, несколько превосходя его. Это значительно больше предела прочности на растяжение.

Таким образом, суперпозиция сдвиговых напряжений и напряжений сжатия эквивалентна появлению в краевой зоне массива растягивающих напряжений, перпендикулярно которым проходят плоскости образующихся трещин. Величина растягивающих напряжений превосходит предел прочности слабого угля выбросоопасных пачек и может быть соизмерима с величиной горного давления. Плоскости трещин почти параллельны фронту забоя, что соответствует модели акад. С. А. Христиановича, по которой внезапному выбросу угля и газа предшествует образование системы ориентированных изолированных газонаполненных трещин.

Внезапные выбросы угля и газа происходят из слабой выбросоопасной пачки, если она соседствует с прочными породными пропластками или пачками прочного угля. Рост трещин сдерживается прочным окружением выбросоопасной пачки, и возникает система изолированных друг от друга наполненных метаном ориентированных трещин.

Величину возможных деформаций є растяжения прочных пропластков можно оценить из одномерного закона Гука є = о/Е (при наличии бокового отпора в последнем выражении появится множитель порядка единицы, зависящий от коэффициента Пуассона). По порядку величины напряжения з = 107 Па, а модуль Юнга is = 109 Па, так что относительные деформации, которые может испытывать выбросоопасная пачка, составляют порядка одного процента. Сплошность массива и газонаполненность трещин сохраняются до того момента, пока трещины не начнут срастаться. При срастании трещин происходит либо разрушение массива, либо лавинообразно развивается внезапный выброс угля и газа. Чтобы определить максимальный относительный объем трещин, возникающих без нарушения сплошности массива, необходимо изучить закономерности роста трещин с учетом их взаимного влияния.

Возникновение системы ориентированных трещин является одним из этапов развития внезапного выброса угля и газа [80-83]. В этой связи исследуем закономерность образования квазиравновесной системы ориентированных газонаполненных трещин в выбросоопасной пачке угольного пласта, с учетом взаимодействия между трещинами [64].

Изобразим схематично фронт забоя подготовительной выработки в угольном пласте, состоящем из нескольких пачек и пропластков (рис. 4.1). Сплошным кругом обозначена проекция фронта забоя. Область между сплошным и штриховым кругами соответствует области, в которой одна из главных компонент тензора напряжений положительна, т. е. растягивающая. Равновесие газовой и газогидратной фаз метана уместно рассматривать только в замкнутой системе пор.

Похожие диссертации на Исследование влияния фазовых превращений в системе вода – метан на формирование газодинамических процессов в угольных пластах