Pobierz pełna wersję artykułu

67
Cuprum nr 1 (66) 2013
___________________________________________________________________
Piotr Małkowski 1)
Krzysztof Skrzypkowski 1)
Zmiany właściwości mechanicznych i termicznych skał
podczas procesu podziemnego zgazowania węgla
Słowa kluczowe:
parametry fizyczne skał, wysoka temperatura, podziemne zgazowanie węgla
Streszczenie
W artykule zaprezentowano wybrane wyniki badań właściwości mechanicznych oraz termicznych
skał w aspekcie procesu podziemnego zgazowania węgla. W tym celu próbki skał karbońskich
z kopalni „Wieczorek”, gdzie planowany jest eksperyment, zostały wyprażone w temperaturach
300°C, 600°C oraz 1000°C, które s ą charakterystyczne dla strefy utleniania, redukcji oraz pirolizy
przy eksploatacji węgla metodą podziemnego zgazowania. Wpływ temperatury na badane skały
uwidacznia się zmianami makroskopowymi, a w efekcie także zmianami bardzo wielu parametrów fizycznych, których wybrane wielkości zaprezentowano w artykule. Badanymi wielkościami
były między innymi: wytrzymałość na ściskanie, moduł Younga, współczynnik przewodzenia
ciepła oraz pojemność cieplna. Wyniki badań zaprezentowano w formie porównania właściwości
próbek skał przed i po wyprażeniu w podanych wyżej temperaturach.
Na podstawie analizy wyników badań laboratoryjnych oraz literaturowych odnośnie wpływu temperatury na skały, autorzy wykazali graniczne temperatury, dla których następuje istotna zmiana
właściwości skał. Otrzymane w trakcie badań termogramy dały także możliwość oceny zakresu
temperatur, dla których następują największe zmiany strukturalne.
Zaprezentowane wyniki badań zostały opracowane w ramach Zadania Badawczego nr 3 pt.:
„Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”, które finansowane jest przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii”.
Wprowadzenie
Badania wpływu wysokich temperatur na skały prowadzone są w związku z realizowanym w Polsce projektem podziemnego zagazowania węgla (PZW). Instalacja taka powstanie w KWK „Wieczorek”. Zgodnie z aplikowaną technologią i występującymi podczas procesu spalania węgla zagrożeniami, początkowe odcinki kanałów gazowych
(lub chodników) zostaną wykonane w skałach płonnych [2]. Stworzy to korzystne warunki do likwidacji generatora PZW. Zbudowanie kanału ogniowego w skałach otaczających georeaktor sprawia, że niezbędna staje się znajomość zachowania się tych skał
pod wpływem wysokich temperatur.
Próbki skał do badań pobrano w formie brył z przekopu wentylacyjnego poziomu 400
do pokładu 510 w KWK „Wieczorek”. Przeprowadzone badania właściwości mechanicznych i termicznych łupku ilastego, łupku piaszczystego i ilastego zapiaszczonego
oraz piaskowca, po wygrzaniu do temperatury 1000°C, pokazały że stopień zmian wynikających z działania na skały wysokiej temperatury jest zróżnicowany [4,7,8,9]. Ponieważ jednak analiza termo-grawimetryczna skał wykazała bardzo zakłócone przebie___________________________________________________________________
1)
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie,
al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków
68
P. Małkowski, K. Skrzypkowski
_____________________________________________________________________
gi zmian masy wraz ze wrastającą temperaturą, zdecydowano się na wykonanie badań
właściwości mechanicznych i termicznych dla temperatur pośrednich 300°C (lub
400°C), 600°C. Kryterium wyboru tych temperatur wyn ikało z charakterystycznych stref
zgazowania [2,4,9] oraz ze stwierdzonych badaniami laboratoryjnymi wartości progowych zmian zachowania się skał osadowych poddanych wysokim temperaturom [1,9].
1. Straty prażenia i zachowanie się skał w wysokich temperaturach
Dla określenia strat prażenia z pobranych skał wycięto próbki foremne sześcienne
o boku 50 mm, które zostały zbadane na Wydziale Górnictwa i Geoinżynierii AGH
w Katedrze Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki. Badania objęły 9 serii skał:
dwóch piaskowców, trzech łupków ilastych oraz czterech serii łupków ilastych zapiaszczonych i piaszczystych. Próbki skał w trakcie ich wygrzewania w temperaturach 20,
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 oraz 1000°C były wa żone za pomocą wagi
laboratoryjnej WPT 2 [6]. Procedura prażenia obejmowała czas dojścia do zadanej
temperatury, który wynosił ok. 20 min oraz czas prażenia 10 min. Zmiany powyższego
czasu w poszczególnych zakresach temperatur powodowane były bezwładnością układu. Dodatkowo w temperaturze 1000°C próbki były pra żone przez 24 godziny [8]. Wygrzewanie próbek przeprowadzono w piecu muflowym SM 2000 z mikroprocesorowym
regulatorem.
Przeprowadzone badania strat prażenia do 1000°C wykazały, że najmniejszym ubytkiem masy charakteryzują się piaskowce (seria nr 4 i 9 – kolory zielone), gdzie ∆m =
2,33÷3,39% (rys. 1). Największe straty prażenia wykazały łupki ilaste (seria 7, 8 i 10 –
kolory żółto-czerwone), odpowiednio 9,56%, 12,43%, 8,78%. Ubytek masy w łupkach
piaszczystych i łupkach ilastych zapiaszczonych (serie nr 4.3/4.4, 1, 3 i 12 – kolory
niebieskie) zawierał się w przedziale od 5,34% do 5,87%. Dodatkowo stwierdzono, że
największe zmiany masy dla wszystkich skał zachodzą w zakresie temperatur od ok.
500°C do 700°C. Intensywno ść tych zmian jest jednak największa dla łupków ilastych,
dla których utrata masy w tym przedziale temperatur wynosi ok. 5÷6%.
Rys. 1. Utrata masy próbek na skutek działania wysokiej temperatury
69
Zmiany właściwości mechanicznych i termicznych skał…
_____________________________________________________________________
Wykonane badania utraty masy oraz zakresów temperatur, gdzie jest ona największa,
zostały potwierdzone pomiarami termograwimetrycznymi (krzywe TG) oraz kalorymetrycznymi (krzywe DSC) wykonane analizatorem termicznym NETZSCH STA 449 F3
Jupiter® [6]. Urządzenie STA 449 F3 Jupiter umożliwia analizę termiczną z jednoczesnym wykorzystaniem dwóch technik badawczych: Termograwimetrii i Skaningowej
Kalorymetrii Różnicowej (TG-DSC) oraz Termograwimetrii i Termicznej Analizy Różnicowej (TG-DTA) w stosunku do jednej próbki. Możliwość przeprowadzania jednocześnie analizy TG-DTA lub TG-DSC gwarantuje uzyskanie niezależnych sygnałów rejestrowanych w tych samych warunkach pomiarowych, tj. przy tej samej szybkości grzania, atmosferze oraz ciśnieniu. Taki sposób analizy zapewnia większą efektywność
oraz umożliwia uzyskanie kompleksowej informacji dotyczącej charakterystyki cieplnej
badanej próbki.
Urządzenie LFA 427 służy do pomiaru dyfuzyjności cieplnej oraz przewodnictwa cieplnego materiałów, wykorzystując laserową metodę impulsową. Analiza termiczna badanych skał polegała na porównaniu zmian różnicy strumienia cieplnego powstającego
między próbką badaną i referencyjną w trakcie przemiany termicznej. W przypadku
urządzeń firmy Netzsch próbką referencyjną jest kostka z szafiru.
Dla łupków ilastych chwilowe wartości strumienia cieplnego maleją gwałtownie od temperatury ok. 500°C do 540°C, by w ci ągu kolejnych 90°C ponownie wzrosn ąć (rys. 2).
Kolejną szczytową wartość strumień ten osiąga przy temperaturze ok. 980°C. Utrata
masy od 20°C do 1000°C wynosi 7,45%.
Dla łupków piaszczystych największe chwilowe zmiany strumienia cieplnego zachodzą
w zakresie temperatur 400÷470°C, natomiast po przekroczeniu 560°C strumie ń cieplny
przechodzący przez próbkę jest praktycznie stały (rys. 3). Utrata masy od 20°C do
1000°C wynosi 4,77%.
W przypadku piaskowców wartość strumienia cieplnego stale maleje, a w temperaturze
570°C nast ępuje lokalnie jego kilkuprocentowy spadek (rys. 3). Nieznaczne wahnięcie
strumienia następuje także po osiągnięciu temperatury ok. 1000°C. Utrata masy od
20°C do 1000°C wynosi 1,29%.
Nieco niższe wartości strat prażenia dla wszystkich skał mogą wynikać z innej metodyki
badań, związanej z izolacją układu w aparacie NETSCH.
Rys. 2. Analiza derywatograficzna próbki łupku ilastego (seria 7.2)
70
P. Małkowski, K. Skrzypkowski
_____________________________________________________________________
Rys. 3. Analiza derywatograficzna próbki łupku piaszczystego (seria 3.1)
Rys. 4. Analiza derywatograficzna próbki piaskowca (seria 4.5)
Obserwacje makroskopowe wygrzewanych próbek pokazały, że skałami, dla których
w każdym żądanym zakresie temperatur można przeprowadzić badania wytrzymałościowo-odkształceniowe są piaskowce. Próbki łupków piaszczystych często pękały
wzdłuż powierzchni uławicenia, natomiast próbki łupków ilastych, po ogrzaniu ich do
temperatury 450÷500°C, spalały si ę i rozpadały na niewielkie kawałki, uniemożliwiając
w ten sposób wykonywanie na nich dalszych badań [4,7,8]. Stwierdzono, że zachowanie spójności skał łupku piaszczystego i łupku ilastego zapiaszczonego jest uzależnione od zawartości części ilastych i lamin węglowych, podobnie, jak stwierdził to Tian
[11]. Z kolei zabarwienie skał osadowych związane jest z rodzajem spoiwa wypełniającym skałę [12]. Badania prowadzone w Aachen dowodzą, że spoiwo gliniasto-żelaziste
wypala się na kolor czerwony lub brunatny, natomiast wypełnienie przestrzeni ziarnowych spoiwem ilastym lub wapiennym – na kolor szary lub ciemnoszary.
71
Zmiany właściwości mechanicznych i termicznych skał…
_____________________________________________________________________
2. Zmiany właściwości termicznych i mechanicznych skał
w temperaturach 300°C, 600°C i 1000°C
Wykonane badania strat prażenia pozwoliły przypuszczać, że opisane powyżej przedziały temperatur są pewnymi granicznymi wartościami, po przekroczeniu których dany
rodzaj skał zmienia swoje właściwości termiczne i mechaniczne. W celu określenia
właściwości mechanicznych skał wycięto zatem dodatkowe próbki sześcienne i wyprażono je nie tylko w docelowej dla procesu zgazowania temperaturze 1000°C, ale tak że
temperaturach 300°C i 600°C. Mała obj ętość pobranych brył nie pozwoliła na wykonanie badań właściwości mechanicznych skał co 100°C. W tabeli 1 pokazano , jakie zmiany strukturalne zachodziły w skałach po ich wyprażeniu i ściśnięciu na maszynie wytrzymałościowej.
Tabela 1
Zmiany strukturalne próbek skał po wyprażeniu do żądanej temperatury
– stan po badaniu ich wytrzymałości na ściskanie
Rodzaj
skały
Nr
serii
Piaskowiec
9
Piaskowiec
4
Łupek
piaszczysty
1
Temperatura, ˚C
300/400*
600
1000
72
P. Małkowski, K. Skrzypkowski
_____________________________________________________________________
Tabela 1 c.d.
Rodzaj
skały
Nr
serii
Temperatura, ˚C
300/400*
600
1000
Łupek
4.3/4.4
piaszczysty
Łupek ilasty
8
* dla piaskowca pierwsza temperatura graniczna została określona dla 400°C
Ponieważ próbki skał różniły się znacząco strukturą po ich wyprażeniu w temperaturze
300°C, 600°C oraz 1000°C (tab. 1), dostosowano do n ich odpowiedni przyrost obciążenia. Dla skał w stanie naturalnym wynosił on od 1kN/s dla słabszych łupków ilastych do
5 kN/s dla mocnych piaskowców i łupków piaszczystych. Po wyprażeniu próbek, przyrost ten zmniejszono do wartości 0,2÷0,5 kN/s. Tak duże zmniejszenie było związane
z widocznym brakiem spójności skał. Stawały się one znacznie bardziej kruche i na
przykład piaskowiec wyprażony do temperatury 10000C pod obciążeniem uległ całkowitemu rozdrobnieniu (rys. 5a), przy widocznym wypłaszczeniu charakterystyki naprężeniowo-odkształceniowej w początkowej fazie badania (rys. 5b). Bardzo podobnie zachowywały się próbki wszystkich pozostałych badanych skał.
Rys. 5. Piaskowiec po wyprażeniu w temperaturze 1000°C;
a – widok próbki po teście ściskania,
b – wykres siła-przemieszczenie uzyskany z maszyny wytrzymałościowej
73
Zmiany właściwości mechanicznych i termicznych skał…
_____________________________________________________________________
180
3
170
2,8
160
2,6
150
2,4
140
130
2
120
1,8
110
100
1,6
90
1,4
80
1,2
70
1
60
50
0,8
0,6
Współczynnik przewodzenia ciepła λ
Ciepło właściwe cp
Wytrzymałość na ściskanie Rc
0,4
0,2
0
0
40
30
20
20,0
2,6
2,4
15,0
2,2
2
1,8
1,6
10,0
1,4
1,2
1
0,8
5,0
Współczynnik przewodzenia ciepła λ
Ciepło właściwe cp
Moduł Younga E
0,6
0,4
10
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0
1000
0,2
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Temperatura T [C]
Temperatura T [C]
Rys. 6a. Porównanie zmian wytrzymałości
na ściskanie, przewodnictwa ciepła
i pojemności cieplnej na skutek
zmian temperatury
– łupek ilasty zapiaszczony seria 1
Rys. 6b. Porównanie zmian modułu
Younga, przewodnictwa ciepła
i pojemności cieplnej
na skutek zmian temperatury
– łupek ilasty seria 1
0,0
1000
M o d u ł Y o u n g a E [G P a ]
2,2
W s p ó łc z y n n ik p r z e w o d z e n ia c ie p ła l[W /J * K ]
P o je m n o ś ć c ie p ln a c p [k J /k g * K ]
3
2,8
W y tr zy m a ło ś ć n a ś c is k a n ie R c [M P a ]
W s p ó łc z y n n ik p r ze w o d z e n ia c ie p ła l[W /J *K ]
P o je m n o ś ć c ie p ln a c p [k J /k g *K ]
Badania właściwości termicznych pokazały, że przebiegi zmian współczynnika przewodności cieplnej oraz pojemności cieplnej są zakłócone i nie można ich w sposób
zadowalający opisać funkcjami matematycznymi. Wartości obu wyżej wymienionych
parametrów okresowo rosną lub maleją w różnych temperaturach. Dla modelowania
procesu zgazowania ważne jest jednak, aby stwierdzić, czy zmiany właściwości termicznych wpływają na zmiany właściwości mechanicznych ośrodka skalnego. Dla porównania, spośród parametrów termicznych wybrano współczynnik przewodzenia ciepła oraz pojemność cieplną, a spośród mechanicznych – wytrzymałość na ściskanie
i moduł sprężystości liniowej (Younga).
Porównując wyniki badań zmian wytrzymałości na ściskanie, w zależności od temperatury, z wynikami zmian przewodnictwa cieplnego i pojemności cieplnej łupków piaszczystych serii 1 i 4.3/4.4 stwierdzono, że do temperatury 300°C wytrzymało ść na ściskanie pozostaje praktycznie bez zmian, natomiast w temperaturze ok. 600°C nast ępuje ich wyraźne wzmocnienie (rys. 6a i 7a). Wytrzymałość na ściskanie wzrasta o ponad
150% z 60÷70 MPa do 160÷170 MPa. Co ciekawe, w temperaturze 1000°C jest ona
taka sama lub minimalnie wyższa niż dla temperatury pokojowej.
Bardzo podobnie zachowuje się moduł sprężystości liniowej tych łupków, który w zakresie temperatur 0÷600°C ro śnie początkowo wolniej, następnie szybciej by podwoić
swoją wartość z ok. 7 GPa do ok. 14 GPa (rys. 6b i 7b). Przy zwiększaniu temperatury
powyżej 600°C nast ępuje bardzo szybka utrata sprężystości skały i po wyprażeniu jej
do temperatury 1000°C moduł E wynosi ok. 2,5÷3,2 GPa. Zatem jest on wówczas niższy od badanego w warunkach temperatury pokojowej nawet trzykrotnie.
74
P. Małkowski, K. Skrzypkowski
_____________________________________________________________________
15,0
140
130
8
120
100
6
90
Współczynnik przewodzenia ciepła λ
Ciepło właściwe cp
Wytrzymałość na ściskanie Rc
80
70
4
60
50
40
2
30
20
8
10,0
6
Współczynnik przewodzenia ciepła λ
Ciepło właściwe cp
Moduł Younga E
4
5,0
M oduł Y ounga E [G P a]
110
W spółczynnik przew odzenia ciepła l[W /J*K ]
P ojem ność cieplna cp [kJ/kg*K ]
150
W ytrzym ałość na ściskanie R c [M P a]
W spółczynnik przew odzenia ciepła l[W /J*K]
P ojem ność cieplna cp [kJ/kg*K]
10
160
10
2
10
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0
1000
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0,0
1000
Temperatura T [C]
Temperatura T [C]
Rys. 7a. Porównanie zmian wytrzymałości
na ściskanie, przewodnictwa ciepła
i pojemności cieplnej na skutek
zmian temperatury
– łupek piaszczysty seria 4.3/4.4
Rys. 7b. Porównanie zmian modułu
Younga, przewodnictwa ciepła
i pojemności cieplnej
na skutek zmian temperatury
– łupek piaszczysty seria 4.3/4.4
Przebieg zmian analizowanych parametrów termicznych zupełnie nie wskazuje na takie
zmiany wytrzymałości (rys. 6 i 7). Współczynnik przewodzenia ciepła λ łupków piaszczystych w zakresie temperatur 0÷300°C maleje ponad dwukrotnie, aby nast ępnie do
osiągnięcia temperatury 1000°C oscylowa ć wokół tej wartości. Z kolei pojemność cieplna właściwa nieznacznie rośnie, najbardziej w zakresie temperatur 500÷600°C, lecz nie
są to aż tak istotne zmiany, aby w ponad 100-procentowy sposób wpływać na właściwości mechaniczne skał. Jedyną przyczyną takiego zachowania się skał muszą być
przemiany fazowe i mineralogiczne, co zostało opisane w pracy [9].
W przypadku łupków ilastych wyniki badań są niepełne. Wypalanie się skał w temperaturze ok. 500°C sprawiło, że można analizować tylko zmianę wytrzymałości na ściskanie i modułu Younga do temperatury 300°C (rys. 8a i 8b). Pomiary dla łupków ilastych
serii 8 pokazują, że dla tego zakresu temperatur wytrzymałość na ściskanie rośnie
(o ok. 30%), natomiast moduł sprężystości liniowej nieznacznie maleje (o ok. 3%).
W tym przypadku jednak przebieg zmian współczynnika przewodzenia ciepła i pojemności cieplnej właściwej wskazuje, że od temperatury 20°C do 300°C nast ępuje paraboliczny gwałtowny spadek obu parametrów, który wynosi 5÷6 razy. Można zatem stwierdzić, że wzrost przewodności cieplnej i spadek pojemności cieplnej dla łupków ilastych
w zakresie 20÷300°C skutkuje wzrostem wytrzymało ści i bardzo nieznacznym spadkiem sprężystości.
75
Zmiany właściwości mechanicznych i termicznych skał…
_____________________________________________________________________
3,4
3,4
100
2,4
70
60
2
1,8
50
1,6
1,4
40
1,2
30
1
0,8
Współczynnik przewodzenia ciepła λ
Ciepło właściwe cp
Wytrzymałość na ściskanie Rc
0,6
0,4
20
10
0,2
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0
1000
2,8
8,0
2,6
2,4
2,2
1,6
1,4
Rys. 8a. Porównanie zmian wytrzymałości
na ściskanie, przewodnictwa ciepła
i pojemności cieplnej
na skutek zmian temperatury
– łupek ilasty seria 8
4,0
1,2
1
0,8
Współczynnik przewodzenia ciepła λ
Ciepło właściwe cp
Moduł Younga E
0,6
2,0
0,4
0,2
0
0
Temperatura T [C]
6,0
2
1,8
M o d u ł Y o u n g a E [G P a ]
2,2
P o je m n o ś ć
2,6
3
W s p ó łc zy n n ik p rz ew o d ze n ia cie p ła l[W /J *K ]
c ie p ln a cp [kJ /k g *K ]
80
W y t r z y m a ło ś ć n a ś c is k a n ie R c [ M P a ]
W s p ó łc z y n n ik p r z e w o d z e n ia c ie p ła l[W /J * K ]
P o je m n o ś c c ie p ln a c p [ k J /k g * K ]
90
3
2,8
0
0
10,0
3,2
3,2
0,0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Temperatura T [C]
Rys. 8b. Porównanie zmian modułu Younga,
przewodnictwa ciepła
i pojemności cieplnej
na skutek zmian temperatury
– łupek ilasty seria 8
Wyniki badań zmian wytrzymałości na ściskanie Rc w zależności od temperatury piaskowców serii 4 i 9 pokazują różne ich zmiany (rys. 9a i 10a). Dla serii 4 w temperaturach 400°C i 600°C nast ępuje wyraźny spadek wytrzymałości od 47 MPa do 15 MPa,
a więc trzykrotny. Dla serii 9 spadek wytrzymałości jest prawie dwukrotny (z 57 MPa do
ok. 30 MPa) i dopiero w temperaturze 600°C. Nast ępnie w przypadku serii 4, wytrzymałość wzrasta do ok. 40 MPa, natomiast dla serii 9 nadal maleje, osiągając wartość ok.
23 MPa w temperaturze 1000°C.
Podobne zmiany jakościowe, choć nie ilościowe, zachodzą w przypadku modułu sprężystości liniowej (rys. 9b i 10b). Dla piaskowca serii nr 4 od temperatury 20°C do 400°C
moduł maleje od 8,7 GPa do 1,2 GPa, utrzymuje swoją wartość w temperaturze 600°C,
po czym po wyprażeniu skały do temperatury 1000°C moduł E wynosi 3,2 GPa. Wahania tego parametru są zatem wyższe niż wahania Rc. Dla serii 9 wartość modułu Younga cały czas maleje, w wybranych zakresach temperatur wynosząc odpowiednio:
9,3 GPa, 6,9 GPa, 2,3 GPa i 0,9 GPa.
Na przebieg zmian analizowanych parametrów mechanicznych raczej również nie ma
wpływu zmiana właściwości termicznych (rys. 10a i 10b). Współczynnik przewodzenia
ciepła λ piaskowców serii 9 w zakresie temperatur 0÷400°C maleje prawie pi ęciokrotnie, aby następnie ustalić się wokół wartości 1 W/J⋅K (rys 10). Z kolei pojemność cieplna właściwa praktycznie się nie zmienia w całym badanym przebiegu temperatur wynosząc ok. 1 J/kg⋅K. W przypadku piaskowców serii 4 zmiany obu analizowanych parametrów termicznych są minimalne (rys. 9). W przypadku piaskowców trudno jest zatem
mówić o jakichkolwiek zależnościach pomiędzy właściwościami mechanicznymi a termicznymi.
76
P. Małkowski, K. Skrzypkowski
_____________________________________________________________________
10,0
40
30
10
20
5
0
0
10
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0
1000
20
15
Współczynnik przewodzenia ciepła λ
Ciepło właściwe cp
Moduł Younga E
5
0
0
100
200
300
Temperatura T [C]
30
2
20
10
400
500
600
700
800
900
0,0
1000
6
700
800
900
0
1000
Temperatura T [C]
Rys. 10a. Porównanie zmian wytrzymałości
na ściskanie, przewodnictwa ciepła
i pojemności cieplnej
na skutek zmian temperatury
– piaskowiec seria 9
W spó łczyn nik przew od zenia ciep ła l[W /J*K ]
P ojem no ść ciepln a cp [kJ/kg *K ]
50
40
300
600
10,0
4
Współczynnik przewodzenia ciepła λ
Ciepło właściwe cp
Moduł Younga E
5,0
2
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
M o du ł Yo un ga E [G P a]
4
200
500
Rys. 9b. Porównanie zmian modułu
Younga, przewodnictwa ciepła
i pojemności cieplnej
na skutek zmian temperatury
– piaskowiec seria 4
60
Współczynnik przewodzenia ciepła λ
Ciepło właściwe cp
Wytrzymałość na ściskanie Rc
W ytrzym ałość na ściskanie R c [MPa ]
W spółczynnik przew odzenia ciepła l[W /J*K ]
Pojem ność cieplna cp [kJ /kg*K ]
6
100
400
Temperatura T [C]
Rys. 9a. Porównanie zmian wytrzymałości na
ściskanie, przewodnictwa ciepła i pojemności
cieplnej na skutek zmian temperatury
– piaskowiec seria 4
0
0
5,0
10
M o d u ł Y o u n g a E [G P a ]
15
W s p ó łc z y n n ik p r z e w o d z e n ia c ie p ła l[W /J * K ]
P o je m n o ś ć c ie p ln a c p [k J /k g * K ]
Współczynnik przewodzenia ciepła λ
Ciepło właściwe cp
Wytrzymałość na ściskanie Rc
W y trz y m a ło ś ć n a ś c is k a n ie R c [M P a ]
W s p ó łc z y n n ik p rz e w o d z e n ia c ie p ła l[W /J *K ]
P o je m n o ś ć c ie p ln a c p [k J /k g *K ]
50
20
0,0
1000
Temperatura T [C]
Rys. 10b. Porównanie zmian modułu
Younga, przewodnictwa ciepła
i pojemności cieplnej
na skutek zmian temperatury
– piaskowiec seria 9
W tabeli 2 zamieszczono procentowe porównanie zmian analizowanych parametrów
strukturalnych, mechanicznych i termicznych w odniesieniu do wysokich temperatur.
Wobec tylko jednego zakresu temperatur badań dla serii 8 (łupku ilastego) skały tej nie
analizowano.
77
Zmiany właściwości mechanicznych i termicznych skał…
_____________________________________________________________________
Tabela 2
Porównanie procentowe analizowanych parametrów strukturalnych, mechanicznych
i termicznych w odniesieniu do wysokich temperatur
Wytrzymałość
na ściskanie
Rc [MPa]
60,9
+23
Moduł
Younga
E [GPa]
8,79
+11 +15 +2
Współczynnik
przewodzenia
ciepła
λ
[W/m⋅K]
2,66
-46 -46 -57 4,06 -81
-76
Pojemność
cieplna
cp
[kJ/kg⋅K]
1,25
+6
-0,2 -1,7 -5,5
0
600
400
0
600
-0,2 -0,6 -2,3
400
20
0
1000
Utrata
masy ∆m
[%]
20
0
600
-0,2 -1,7 -5,5
300
[oC]
1000
seria nr 9
600
Piaskowiec
seria nr 4
300
Piaskowiec
seria nr 4.3/4.4
20
Łupek piaszczysty
seria nr 1
1000
Łupek piaszczysty
20
Temperatura
Rodzaj skały
1000
Parametr
-0,3 -1,5 -3,4
+11
+14 46,6 -69
6
-70
-13 55,9
-4
-41
-58
778
+31 +77 -55 8,83 -86
3,5
-87
-56 9,34 -26
-75
-91
-67
-52 5,53 -72
-79
-80
+14 +26
+22 +39
1,06 +69
1,36 -34
1
1
4
6
-22
-29
+16
+13 68,1 +4
6
+57 +24 1,42 -42
-54 3,17 -54
Uwagi: - spadek, + wzrost w stosunku do wartości początkowej
Przeprowadzone badania pokazały zatem, że przebieg zmian modułu sprężystości
liniowej skał osadowych jest zupełnie inny niż skał magmowych zaprezentowany przez
zespól Hettemy [3] lub Zhi-juna [15]. Niemniej można zauważyć jakościowe podobieństwo przebiegu zmian wartości modułu piaskowca serii 9 z andezytem i kwarcowym
trachytem, jaki badał Zhi-jun [15]. W obu badaniach progową temperaturą, w której
zachodziły zmiany była temperatura ok. 570÷600°C. Badania Mao [10] prowadzone dla
wapieni pokazują z kolei największe podobieństwo przebiegu zmian modułu Younga
i wytrzymałości na ściskanie podczas ich ogrzewania w stosunku do wyników otrzymanych badań dla łupków piaszczystych. Z kolei badania wytrzymałości piaskowców, jakie
prowadził Zhang [14] wskazują na jeszcze inny przebieg zmian wraz z temperaturą niż
piaskowce rejonu GZW. W porównaniu do wyników badań Zhanga jakościowe zmiany
Rc piaskowca serii 9 są zbliżone do badań wapieni.
78
P. Małkowski, K. Skrzypkowski
_____________________________________________________________________
Podobne wnioski o braku podobieństwa wyników można wysnuć analizując wyniki badań mułowców, jakie wykonali Luo i Wang [5]. Dotyczy to ponownie przede wszystkim
jakościowego obrazu zmian właściwości mechanicznych wraz ze zwiększająca się
temperaturą, która według [5] cały czas rośnie.
Wszystkie cytowane powyżej badania skał prowadzone były do temperatury 800°C
oraz co 100°C. Du ża częstotliwość badań wykonana przez innych autorów na pewno
pozwala na otrzymanie dokładniejszych charakterystyk analizowanych parametrów
fizycznych skał, niemniej nie zmienia faktu jakościowych zmian tych parametrów wraz
z temperaturą.
Wnioski
Obserwacje makroskopowe próbek skał karbońskich z kopalni „Wieczorek” z rejonu
Górnośląskiego Zagłębia Węglowego wygrzewanych w temperaturach do 1000°C pokazują, że skałami, które nie ulegają rozpadowi są piaskowce. Próbki łupków piaszczystych często pękają wzdłuż powierzchni uławicenia, natomiast próbki łupków ilastych,
po ogrzaniu ich do temperatury 450÷500°C, wypalaj ą się i rozpadają na niewielkie kawałki. Wynikające z ogrzewania straty prażenia dla poszczególnych skał wynoszą kolejno: dla piaskowców – ok. 2,33÷3,39%, dla łupków piaszczystych i łupków ilastych
zapiaszczonych 5,34÷5,87%, a dla łupków ilastych – 9,56÷12,43%. Rozpad łupków
ilastych podczas wyprażania uniemożliwia wykonywanie na nich dalszych badań laboratoryjnych.
Analizy derywatograficzne pokazują, że dla wszystkich badanych skał progowymi wartościami temperatur, w których zachodzą największe zmiany masy i wahania przepływu
ciepła to 400÷570°C. Dolny zakres temperatur odpowiada głównie łu pkom piaszczystym, natomiast górny piaskowcom i łupkom ilastym.
W przypadku skał karbońskich trudno jest stwierdzić zależność pomiędzy właściwościami mechanicznymi a termicznymi. Wykonana analiza zmian wytrzymałości na ściskanie oraz współczynnika przewodzenia ciepła oraz pojemności cieplnej właściwej
wraz z temperaturą pokazuje, że przebiegi te są niezależne. Podobnie brak jest relacji
pomiędzy zmianami modułu Younga i zmianami współczynnika przewodzenia ciepła
oraz pojemności cieplnej właściwej i temperatury. Można jednak zauważyć, że ilościowo są one bardzo wysokie i mogą, szczególnie w przypadku łupków ilastych być ponad
sześciokrotne.
Przeprowadzone badania laboratoryjne wpływu wysokiej temperatury na otaczające
skały, które znajdują się w bezpośrednim sąsiedztwie projektowanego georeaktora,
stanowią podstawę do analiz jego stateczności. Otrzymane wyniki są także niezbędne
w modelowaniu procesu podziemnego zgazowania zarówno w warunkach laboratoryjnych, in situ, ex situ, jak i za pomocą metod numerycznych. W tym przypadku określone właściwości skał przed i w trakcie ogrzewania będą wykorzystane przy modelowaniu
numerycznym złoża węgla podczas procesu jego zgazowania.
79
Zmiany właściwości mechanicznych i termicznych skał…
_____________________________________________________________________
Bibliografia
[1] Dengina N., Kazak V., Pristash V., 1993, Changes in rocks at high temperature. Journal of
Mining Science. Vol. 29, Issue 5.
[2] Drzewiecki J., Konopko W., 2012, Generator podziemnego zgazowania węgla w technologii
górniczej. Przegląd Górniczy, nr 10, s. 54-58.
[3] Hettema M.H.H., Pater C.J., Wolf K.-H.A.A., 1992, High temperature properties of roof rock
of coal. Rock characterization: ISRM International Symposium Eurock’92, Chester UK, J.A.
Hudson ed., London, s. 93-98.
[4] Korzeniowski W., Skrzypkowski K., 2012, Badania zmian wybranych właściwości geomechanicznych skał pod wpływem temperatury do 1100 ˚C w aspekcie potencjalnych możliwości procesu podziemnego zgazowania węgla. Przegląd Górniczy, nr 5.
[5] Luo J., Wang L., 2011, High-temperature mechanical properties of mudstone in the process
of underground coal gasification. Rock Mechanics and Rock Engineering. Vol. 44, Issue 6.
[6] Małkowski P., 2012, Raport okresowy z badań i prac technicznych wykonanych w okresie:
01.07.2010 – 30.06.2012. Część Tematu Badawczego nr 1.2.1 p.t.: Wymagania górnicze
i środowiskowe z modelowaniem procesów geogazodynamicznych. Zakres I: Badania własności geomechanicznych i termicznych skał. AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków,
(praca niepublikowana).
[7] Małkowski P., Kamiński P., Skrzypkowski K., 2012, Impact of heating of carboniferous rocks
on their mechanical parameters. AGH Journal of Mining and Geoengineering. Vol. 36, no.1.
[8] Małkowski P., Niedbalski Z., Hydzik-Wiśniewska J., 2012, Structural changes of rocks subjected to high temperatures and their impact on thermal parameters. GEKO 2012 : 4th traditional international colloquium on Geomechanics and geophysics. Ostravice.
[9] Małkowski P., Skrzypkowski K., Bożęcki P., 2011, Zmiany zachowania się skał pod wpływem
wysokich temperatur w rejonie georeaktora. Prace Naukowe GIG: Górnictwo i Środowisko nr
4/2, Główny Instytut Górnictwa, Katowice.
[10] Mao X., Zhang L., Li T., Liu H., 2009, Properties of failure mode and thermal damage for
limestone at high temperature. Mining Science & Technology no 19, s. 0290-0294.
[11] Tian H., Kempka T., Schluter R., Feinendegen M., Ziegler M., 2009, Influence of high temperature on rock mass surrounding in situ coal conversion sites. 10th International Symposium on Environmental Geotechnology and Sustainable Development – ISEGSD. Bochum,
Germany.
[12] Tian H., Kempka T., Xu N., Ziegler M., 2012, Physical Properties of Sandstones After High
Temperature Treatment. Rock Mechanics and Rock Engineering. Vol. 45, Issue 6.
[13] Yang L.H., Liu S. Q., Yu L., Zhang W., 2009, Underground Coal Gasification Field Experiment in the High-dipping Coal Seams. Energy Sources, Part A, nr 31, s. 854-862.
[14] Zhang L., Mao X., Lu A., 2009, Experimental study on the mechanical properties of rocks at
high temperature. Science in China Series E: Technological Sciences, vol. 52, no 3, s. 641646.
[15] Zhi-jun W., Yang-sheng Z., Yuan Z., Chong W., 2009, Research status quo and prospection
of mechanical characteristics of rock under high temperature and high pressure. Procedia
Earth and Planetary Science, no 1, s. 565-570.
Pracę wykonano w ramach Zadania Badawczego nr 3 pt.: "Opracowanie technologii
zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej" - Cz.T.B
1.2.1 "Wymagania górnicze i środowiskowe z modelowaniem procesów geogazodynamicznych”, które finansowane jest przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju" w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych „Zaawansowane
technologie pozyskiwania energii”. Nr umowy AGH 23.23.660.8902/R34.
80
P. Małkowski, K. Skrzypkowski
_____________________________________________________________________
The change of mechanical and thermal rock properties
during underground coal gasification
Keywords: physical parameters of rocks, high temperature, UCG
The article presents the selected test results of mechanical and thermal properties of rocks in the
aspect of underground coal gasification process. For this purpose, samples of carboniferous
rocks from the “Wieczorek” Mine, where the experiment is planned, were heated at the
temperatures of 300°C, 600°C and 1000°C, which are characteristic of the oxidation, reduction
and pyrolysis zones during exploitation with the underground gasification method. The impact of
temperature on the rocks analysed is visible in macroscopic changes, and as a result, also in
changes to many physical parameters, selected properties of which have been presented in this
article. Properties analysed included: compressive strength, Young module, thermal conductivity
coefficient and specific heat capacity. The results of the tests have been presented as a
comparison of properties of rock samples before and after heating at the aforementioned temperatures. On the basis of the analysis of laboratory test results and data from literature as regards
temperature impact on rocks, the authors have pointed to limit temperatures for which a material
change to rock properties occurs. Thermograms obtained during the tests have also allowed for
assessing the range of temperatures for which the greatest structural changes in rocks take
place. The test results presented in the paper have been developed within Research Task No. 3
“Developing a technology of coal gasification for high efficient production of fuels and electric
power”, financed by The National Centre for Research and Development under strategic research
and development programme “Advanced Technologies for Energy Generation.”