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 142 KB...
23 04 2024 20:13:19
Статья в формате PDF 763 KB...
20 04 2024 19:46:44
Статья в формате PDF 110 KB...
19 04 2024 5:20:11
Статья в формате PDF 115 KB...
17 04 2024 15:42:52
Статья в формате PDF 109 KB...
16 04 2024 15:18:22
Статья в формате PDF 104 KB...
15 04 2024 21:57:19
Статья в формате PDF 107 KB...
13 04 2024 21:26:38
Статья в формате PDF 114 KB...
12 04 2024 1:17:41
Статья в формате PDF 149 KB...
10 04 2024 12:27:12
Статья в формате PDF 183 KB...
09 04 2024 18:20:58
Статья в формате PDF 100 KB...
07 04 2024 23:27:37
Статья в формате PDF 166 KB...
06 04 2024 23:49:35
Статья в формате PDF 300 KB...
05 04 2024 10:50:58
Статья в формате PDF 132 KB...
03 04 2024 13:57:42
Статья в формате PDF 254 KB...
02 04 2024 0:35:11
Статья в формате PDF 661 KB...
01 04 2024 5:53:46
Статья в формате PDF 131 KB...
29 03 2024 11:23:39
Статья в формате PDF 121 KB...
28 03 2024 14:14:43
Статья в формате PDF 351 KB...
27 03 2024 10:18:17
Статья в формате PDF 279 KB...
24 03 2024 3:33:29
Приведены данные по петрологии и потенциальной рудоносности умеренно-щелочных гранитоидов Нагорного Сангилена, которые по сумме признаков отнесены к анорогенному типу. Показано ведущее значение в генерации этих фельзических интрузивных образований флюидного режима, в котором доминирующую роль играли концентрации плавиковой кислоты. ...
23 03 2024 3:18:54
Статья в формате PDF 176 KB...
22 03 2024 17:25:24
Статья в формате PDF 103 KB...
21 03 2024 2:21:13
С целью уточнения хаpaктера иммунопатологического процесса при псориатической болезни и выяснения аутоиммунного механизма воспаления авторами проведено клинико-иммунологическое обследование 132 больных псориатической болезнью. Комплексное иммунологическое обследование пациентов с определением содержания органоспецифических и органонеспецифических аутоантител к различным тканевым и органным антигенам позволило определить аутоиммунный тип иммунной патологии как один из ведущих механизмов воспаления при данной патологии. ...
20 03 2024 6:32:45
Статья в формате PDF 263 KB...
19 03 2024 1:47:31
Статья в формате PDF 110 KB...
18 03 2024 0:18:21
Статья в формате PDF 112 KB...
17 03 2024 10:19:26
Статья в формате PDF 110 KB...
16 03 2024 18:34:21
Статья в формате PDF 456 KB...
15 03 2024 3:25:44
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 ::