ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАЗРУШЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Вещество угля на молекулярном уровне состоит из двух взаимосвязанных частей:
- ядер (кристаллитов), обладающих структурой графита;
- боковой бахромы, состоящей из кислородосодержащих групп, играющих роль перемычек и связывающих первичные элементы между собой, а кристаллиты придают жесткость и укрепляют всю систему.
Несовершенная упаковка кристаллитов и образованных ими молекулярных слоев приводит к микропористости. Классификация пор зависит от возможного фазового состояния поглощенного в порах газа и включает в себя пять групп:
- микропоры;
- субмикропоры;
- мезопоры;
- макропоры;
- супермакропоры.
Находясь в микропорах, молекулы сорбата взаимодействуют между собой, и при их плотной упаковке в микропорах это молекулярное взаимодействие является взаимодействием отталкивания. При изменении силового состояния структурных элементов угольного вещества часть энергии молекулярного отталкивания молекул сорбата может передаваться угольному скелету, а при его разгрузке от внешних сил вызвать дополнительное растяжение и, тем самым, обеспечить локальное разрушение угольного вещества. Как показали исследования [1], энергия межмолекулярного отталкивания молекул сорбата, аккумулированная в микропорах, соизмерима с энергией разрыва вандерваальсовских и водородных связей между структурными элементами. При этом, взаимодействие отталкивания молекул сорбата и угольного вещества может не только усилить эффект разрушения угля, но и является начальной движущей силой этого процесса, обладая определенной упругостью.
Сорбированный в микропорах газ влияет не только на хаpaктеристики разрушения угля, но и на формирование в нем новых микропористых сорбционных структур. Эта закономерность прослеживается и для влажных углей. Хотя наличие влаги не изменяет количество самих микропористых структур по сравнению с сухими углями, однако, она снижает величину энергетического барьера формирования новой микропористой структуры.
Рассмотрим энергетический баланс микропористых сорбционных структур. Выделим элемент горной среды массива ωijk∈Ω. Будем считать, что в прострaнcтве Ω(x1,x2,x3) горного массива до начала горных работ t
. (1)
Учитывая определение интенсивности , где с - скорость звука в данной среде, найдем коэффициент поглощения энергии K:
. (2)
Если , то коэффициент поглощения K>0, а это означает затухание звуковой волны. При K<0 и тогда интенсивность звукового поля растет, что означает образование ударной волны разрушения. Таким образом, сорбционные процессы инициируют упругие волновые поля в угольном массиве.
Упругие волны, интерферируя с преломленными ударными волнами, образуют интерференционные волны (ИВ). Последние затухают значительно быстрее, чем волны более низкого диапазона, так как коэффициент K пропорционален квадрату частоты. В то же время ИВ обладают высокой интенсивностью при относительно небольших амплитудах колебания. Затухающие ИВ превращаются в слабые ультразвуковые волны. Наличие влаги в порах угольного пласта при наличии ультразвуковых полей вызывает явление кавитации. Кавитационные микроскопические пузырьки, попадая в область разряжения, сильно расширяются за счет того, что давление содержащегося внутри газа превосходит суммарное действие поверхностного натяжения и давления жидкости.
Изменение радиуса кавитационной полости в поле ультразвуковой волны хорошо описывается уравнением Нолтинга-Непайреса [3], однако это уравнение допускает только численное решение.
Для нахождения кинематических хаpaктеристик захлопывающегося кавитационного пузырька рассмотрим наиболее простую задачу о смыкании стенок сферической полости в несжимаемой жидкости под действием постоянного давления газа [2]. Кинетическая энергия массы смыкающейся жидкости равна
. (3)
С учетом уравнения неразрывности
, (4)
получим
. (5)
Эта кинетическая энергия равна работе, совершенной силой давления P, по уменьшению объема полости от первоначального значения до конечного ,т.е.
. (6)
Приравнивая формулы (5) и (6), получаем выражения для скорости движения стенок захлопывающейся полости
. (7)
Из выражения (7) найдем полное время ∂t захлопывания пустой полости с начальным радиусом R0. Учитывая, что , и вводя замену переменных , найдем
, (8)
откуда
. (9)
Расчеты по формуле (9) показывают, что время захлопывания пустой полости изменяется от .
Исследуем изменение давление внутри захлопывающегося пузырька. Давление в полости пузырька подчиняется политропическому закону
. (10)
Благодаря наличию в кавитационном пузырьке газа, скорость движения газа не будет стремиться к бесконечности, а радиус полости не сократится до нуля, как это вытекает из формулы (7) . Найдем минимальный радиус пузырька исходя из работы по сжатию газовой смеси:
. (11)
при γ = 1,31 интеграл (11) принимает вид
, (12)
где минус обусловлен направлением действующих сил.
При полном сжатии полости до минимального радиуса вся энергия смыкающейся жидкости, определяемая формулой (6), идет на работу сжатия парогазовой смеси (12), а значит ( при ),
. (13)
Отношение (его принято называть параметром газосодержания) составляет [3]. Следовательно, радиус пузырька при его захлопывании уменьшается в десятки раз. В момент захлопывания пузырька развивается давление до МПа, порождающее сферические, быстро затухающие в прострaнcтве ударные волны. Таким образом, происходит диспергирование угля до мелких фpaкций типа угольной муки. Наличие мелкодиспергированных участков в угольных пластах хаpaктерно для зон, опасных по внезапным выбросам угля и газа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Айруни А.Т. Бобин В.А. Модель макроструктуры угольного вещества. //Изв. ВУЗов, Горный журнал, №2,1987, с 1-7.
- Беспятов Г.А., Вылегжанин В.Н., Золотых С.С. Синергетика выбросоопасной горной среды. Новосибирск. Наука. Сибирская издательская фирма РАН.1996 г., с 190.
- Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. -М.: Наука, 1966 г.
Работа представлена на V научную конференцию «Успехи современного естествознания», 27-29 сентября 2004 г., РФ ОК «Дагомыс», г. Сочи
Статья в формате PDF
181 KB...
23 05 2026 18:50:29
Статья в формате PDF
167 KB...
22 05 2026 9:48:54
Статья в формате PDF
106 KB...
21 05 2026 19:45:56
Статья в формате PDF
314 KB...
20 05 2026 20:35:28
Статья в формате PDF
111 KB...
19 05 2026 12:46:43
Статья в формате PDF
125 KB...
18 05 2026 2:20:44
Статья в формате PDF
143 KB...
17 05 2026 4:22:19
Статья в формате PDF
132 KB...
16 05 2026 14:27:24
Статья в формате PDF
112 KB...
15 05 2026 6:12:57
Статья в формате PDF 301 KB...
14 05 2026 20:21:24
Статья в формате PDF
123 KB...
13 05 2026 5:17:22
Статья в формате PDF
206 KB...
12 05 2026 2:49:21
Статья в формате PDF
100 KB...
11 05 2026 15:32:21
Статья в формате PDF
127 KB...
09 05 2026 19:12:10
Статья в формате PDF
110 KB...
08 05 2026 2:27:27
Статья в формате PDF
106 KB...
07 05 2026 11:45:45
Статья в формате PDF
130 KB...
06 05 2026 16:48:53
Статья в формате PDF
122 KB...
04 05 2026 7:40:35
Статья в формате PDF
120 KB...
02 05 2026 2:38:33
Статья в формате PDF
128 KB...
01 05 2026 18:12:35
Статья в формате PDF
172 KB...
30 04 2026 5:32:52
Статья в формате PDF
242 KB...
29 04 2026 0:44:12
Статья в формате PDF
207 KB...
27 04 2026 12:53:20
Статья в формате PDF
255 KB...
24 04 2026 14:32:37
Статья в формате PDF
130 KB...
23 04 2026 17:22:30
Статья в формате PDF 284 KB...
22 04 2026 5:45:20
Статья в формате PDF
121 KB...
21 04 2026 16:47:56
Статья в формате PDF
113 KB...
20 04 2026 3:14:49
Статья в формате PDF
284 KB...
18 04 2026 13:57:22
Статья в формате PDF
185 KB...
17 04 2026 12:39:24
Статья в формате PDF
144 KB...
16 04 2026 16:48:53
Статья в формате PDF 110 KB...
15 04 2026 22:37:19
Статья в формате PDF
295 KB...
14 04 2026 11:20:50
Еще:
Поддержать себя -1 :: Поддержать себя -2 :: Поддержать себя -3 :: Поддержать себя -4 :: Поддержать себя -5 :: Поддержать себя -6 :: Поддержать себя -7 :: Поддержать себя -8 :: Поддержать себя -9 :: Поддержать себя -10 :: Поддержать себя -11 :: Поддержать себя -12 :: Поддержать себя -13 :: Поддержать себя -14 :: Поддержать себя -15 :: Поддержать себя -16 :: Поддержать себя -17 :: Поддержать себя -18 :: Поддержать себя -19 :: Поддержать себя -20 :: Поддержать себя -21 :: Поддержать себя -22 :: Поддержать себя -23 :: Поддержать себя -24 :: Поддержать себя -25 :: Поддержать себя -26 :: Поддержать себя -27 :: Поддержать себя -28 :: Поддержать себя -29 :: Поддержать себя -30 :: Поддержать себя -31 :: Поддержать себя -32 :: Поддержать себя -33 :: Поддержать себя -34 :: Поддержать себя -35 :: Поддержать себя -36 :: Поддержать себя -37 :: Поддержать себя -38 ::