Visualisation of coal desintegration and investigation of rapid changes of gas pressure, temperature and strain during gas-geomechanical phenomena

• Autorzy: Gawor M. , Rysz J.

Warianty tytułu

PL

Wizualizacja rozpadu węgla oraz badanie szybkich zmian ciśnienia gazu, temperatury i odkształcenia podczas zjawisk gazogeomechanicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper reviews the results of experimental tests involving the disintegration of coal briquettes saturated with gas. Pressure measurements were taken on the briquette side, strain and temperature were measured inside the briquette. At the same time photos were taken of the briquette surface while it disintegrated. Application of a fast CCD camera operating in the Frame-Transfer mode allowed for recording of the emerging cracks and briquette slices and for correlating of thus obtained image with the changes of thermodynamic parameters (gas pressure, briquette deformations, temperature). The earlier experiments revealed that the strain gauge is broken before the crack, presented in the photo, is actually formed. It can be explained by the fact that because of friction forces acting upon the side of the briquette, the disintegration process there is slower than inside the briquette. The briquette decompresses, which is registered by the strain gauges, long before it disintegrates. At the time interval of about 2 ms all strain gauges would record the increasing deformation which indicates the briquette is decompressing before it disintegrates. At the moment of strain gauge failure, the magnitude of strain amounts to 13%. The decompression wave moves much faster than the destruction wave, reaching 80 m/s while the rate of the briquette disintegration ranges from 5 to 10 m/s. The rapid decompression wave inside the briquette facilitates gas filtration towards the free front section and "prepares" the conditions necessary for crack formation. The motion of briquette slices formed during the destruction process is accelerated. The maximal calculated velocity of the slice motion near the briquette front is 23 m/s. Near the bottom the slices move more slowly, reaching 8 m/s. The rate of crack formation is estimated to be about 20 m/s. The temperature changes pattern indicates that briquette cooling is an adiabatic process. At the instant the briquette breaks, the temperature changes rapidly as the result of the change of the medium in which the thermometer is placed. Most significant temperature changes occur near the briquette front where the destruction proceeds at a higher rate than near the bottom.

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych procesu rozpadu brykietu węglowego nasyconego gazem. Podczas destrukcji rejestrowano ciśnienia gazu na pobocznicy brykietu węglowego, odkształcenia i temperaturę wewnątrz brykietu, przy jednoczesnym fotografowaniu jego powierzchni. Zastosowanie szybkiej kamery CCD, pracującej w trybie Frame-Transfer, umożliwiło obserwację powstających w brykiecie szczelin i płatków oraz korelowanie zarejestrowanego obrazu ze zmianami parametrów termodynamicznych (ciśnienie gazu, odkształcenie węgla, temperatura). W celu formowania brykietów, zamontowania przetworników pomiarowych oraz umożliwienia wykonania zdjęć zaprojektowano i wykonano rurę wyrzutową (brykieciarkę). Schemat tej rury przedstawia rysunek 2. Do pomiaru ciśnienia gazu zastosowano piezorezystancyjne przetworniki ciśnienia firmy Lucas typ NPP-301-700A. Temperaturę mierzono za pomocą termoelementów konstantan-manganin wykonanych z drutu o grubości 0,1 mm. W celu zmniejszenia stałej czasowej termometru i zwiększenia powierzchni wymiany ciepła, rozklepano złącze czynne do grubości 10 mm. Tensometry grafitowe umieszczone wewnątrz brykietu służyły do pomiaru lokalnego odkształcenia brykietu, jak również momentu destrukcji. Pomiar dynamicznych zjawisk zachodzących podczas wyrzutu węgla nasyconego gazem wymaga zastosowania szybkiego rejestratora sygnałów. Wykorzystano do tego celu szybki system pomiarowy oparty na dziewięciu kartach komputerowych A/C (Gawor 1999). Wykonane eksperymenty umożliwiły: wyliczenie prędkości destrukcji brykietu (rys. 6 i 7) i prędkości ruchu płatków po oderwaniu od czoła brykietu (rys. 8 i 9), określenie grubości powstających płatków, wyznaczenie prędkości powstawania szczelin, korelację zjawisk mechanicznych -- powstawanie szczelin i płatków, oraz termodynamicznych -- zmiany ciśnienia gazu, odkształcenia brykietu i jego temperatury. Na podstawie wykonanych eksperymentów stwierdzono, że rozerwanie tensometru, umieszczonego w głębi brykietu następuje wcześniej niż powstanie szczeliny widocznej na zdjęciu. Wynika to z faktu, że ze względu na siły tarcia występujące na pobocznicy brykietu proces destrukcji przebiega tutaj wolniej niż wewnątrz brykietu. Rozprężenie brykietu, rejestrowane przez tensometry, następuje dużo wcześniej niż jego destrukcja. Wszystkie tensometry (rys. 4 i 5) rejestrują (w przedziale czasu ok. 2 ms) rosnące odkształcenie brykietu, oznaczające jego rozprężanie przed momentem destrukcji. W momencie pęknięcia odkształcenie to dochodzi do 13%. Fala rozprężenia porusza się znacznie szybciej niż fala destrukcji, jej prędkość osiąga wartość 80 m/s, a prędkość destrukcji wynosi od 5 do 10 m/s. Szybka fala rozprężenia w brykiecie ułatwia filtrację gazu w kierunku swobodnego czoła i "przygotowuje" warunki niezbędne do powstania szczeliny (Topolnicki 1999). Tworzące się podczas destrukcji brykietu płatki poruszają się ruchem przyspieszonym (rys. 8 i 9). Maksymalna wyliczona prędkość ruchu płatków w pobliżu czoła brykietu dochodzi do 23 m/s. W pobliżu dna płatki poruszają się wolniej, maksymalna ich prędkość dochodzi do 8 m/s. Oszacowano (rys. 10), że prędkość tworzenia się szczeliny wynosi około 20 m/s. Zmiany temperatury nic przekraczają 4 K i wskazują na adiabatyczne ochładzanie brykietu. W momencie pęknięcia brykietu następuje skokowa zmiana temperatury związana ze zmianą właściwości ośrodka, w którym znajduje się termometr. Większe zmiany temperatury następują w pobliżu czoła brykietu, gdzie proces destrukcji jest szybszy niż w pobliżu dna, gdzie jest on wolniejszy. Zastosowanie szybkiej fotografii cyfrowej opartej na względnie taniej i równocześnie nowoczesnej kamerze CCD w istotny sposób wzbogaciło informacje na temat procesu destrukcji brykietu węglowego. Opracowano metodykę posługiwania się takimi kamerami, zarówno do badania procesów periodycznych, jak również jednokrotnych.

Słowa kluczowe

EN

rock and gas outbursts; fast CCD cameras; measurement of strain and temperature in porous media

PL

wyrzuty gazów i skał; szybka fotografia; pomiary odkształcenia i temperatury w ośrodkach porowatych

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2002
• Tom: Vol. 47, nr 1
• Strony: 3--22
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Gawor M.

• Instytut Mechaniki Górotworu, Polska Akademia Nauk, 30-059 Kraków, ul. Reymonta 27

autor

Rysz J.

• Instytut Mechaniki Górotworu, Polska Akademia Nauk, 30-059 Kraków, ul. Reymonta 27

Bibliografia

• [1] Bodziony J., Nelicki A., Topolnicki J., 1990: Investigations of experimental generation of gas and coal outburst. In Strata as Multiphase Medium. Rock and Gas Outburst. Ed. J. Litwiniszyn, Kraków, vol. II, 489-509.
• [2] Borowy B., Michalik H., Nawrat S., Stobiński J., 1988: Kształtowanie się zagrożenia wyrzutami metanu i skał w kopalniach Rybnicko-Jastrzębskicgo Gwarectwa Węglowego oraz niektóre metody jego zwalczania. Referat na XII Międzynarodowym Kolokwium „Kierunki Zwalczania Zagrożenia Wyrzutami Gazów i Skał w Górnictwie Podziemnym”. Nowa Ruda-Radków, vol. I, 321-343.
• [3] Fam in L.B., 1959: Instantaneous outburst of coal and gas in laboratory experiment. [In:] Problemy rudnichnoi aerologii, Gosgortekhizdat, Moscow.
• [4] Gawor M., Kowalewski T., Rysz J., Smolarski A., 1994: Experimental research on briquette destruction caused by rarefaction waves. Archives of Mining Sciences 39 (3), 313-330.
• [5] Gawor M., Rysz J., Rachalski A., 1996: Lokalny pomiar ciśnienia gazu w porach oraz temperatury i od¬kształcenia brykietu węglowego podczas wyrzutu. [W:] XXVIII Międzyuczelniana Konferencja Metrologów. Częstochowa, 23-25 wrzesień. Materiały konferencyjne t. 1, s. 150-155.
• [6] Gawor M., Rysz J., 1998: Badanie mechanizmu rozpadu brykietu węglowego. Materiały Konferencji Naukowej „Zjawiska fizyczne w wielofazowym ośrodku skalnym”, IMG PAN, 97-114.
• [7] Gawor M., Rysz J., Palacz J., 1999a: Badanie właściwości metrologicznych miniaturowych przetworników ciśnienia. Prace IMG PAN, Kraków, 11-22.
• [8] Gawor M., Rysz J., 1999b: Dynamic phenomena accompanying sudden out burst in coal briquette. Proc. 8st Int. Symp. on Mine Plan., Dniepropetrovsk, 231-238.
• [9] Gawor M., 1999: Karta szybkiego przetwornika analogowo cyfrowego z oprogramowaniem. Metrologia i Systemy Pomiarowe VI (4) 249-255.
• [10] Gawor M,. Litwiniszyn J., Rysz J., Smolarski A.Z., 2000a: Rock and Gas Outbursts. Archives of Mining Sciences 45 (3), 347-361.
• [11] Gawor M., Rysz J., 2000b:. Zastosowanie kamery CCD do badania szybkich procesów pojedynczych i periodycznych. Prace Instytutu Mechaniki Górotworu, PAN, Kraków.
• [12] Hiller W.J., Kowalewski T.A., Tatarczyk Th., 1992a: High speed imaging with a frame-transfer CCD. Int. Cong. High-Speed-Photogrphy Victoria, Canada, 21-25 Sept.
• [13] Hiller W.J., Kowalewski T.A, Llorachforner V., Steuckrad B., Behnia M., 1992b: Charge-coupled devices in flow Visualization. 6th Int. Flow Visualization Symp. Yokohama, 5-9 Oct.
• [14] Katalog Texas Instruments, 1996.
• [15] Kobiela Z., Krzysztolik P., Zawierucha M., 1988: Strefy wysokiej metanonośności a zagrożenie wyrzutami metanu i skał w pokładach węgla Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego. Referat na XII Międzynarodowym Kolokwium „Kierunki Zwalczania Zagrożenia Wyrzutami Gazów i Skał w Górnictwie Podziemnym”. Nowa Ruda-Radków, vol. I, 239-257.
• [16] Kravchenko V.S., 1955: On the nature and mechanism of sudden outburst of gas and coal. Iz. AN SSSR, Otd. Tekhn. Nauk. No 6, 101-108.
• [17] Lama R.D., Bodziony J., 1996: Outburst of gas, coal and rock in underground coal mines. R. D. Lama & Associates, Wollongong, NSW, Australia.
• [18] LitwiniszynJ.,1997: Model inicjacji i wyrzutu mas skalno-gazowych. Sprawozdanie z projektu badawczego, Nr ST 12A02908, IMG PAN.
• [19] Nelicki A., Topolnicki J., 1994: Experimental stand for the investigations of outbursts of porous materials saturated with gas. Archives of Mining Sciences, vol. 39, (3), 301-311.
• [20] Russ J.C., 1992: The Image Processing Handbook. CRC Press. Inc. Boca Raton, Florida.
• [21] Rysz J., 1996: Strain gauges for rock outburst studies. MST News Poland. 4.
• [22] Rysz J., 1997: Measurement of local values of strains of the briquette by means of special resistance strain gauges. [In:] Proc. SPIE - The International Society for Optical Engineering. Optoelectronic and Electronic Sensors II. Szczyrk, 13-16 May 1996, vol. 3054, s. 118-121.
• [23] Stasicki B., Hiller W.J., Meier G.E.A., 1990: Light pulse generator for high speed photography using semi-conductor devices as a light source. Optical Engineering 27 (7), 821-827.
• [24] Topolnicki J., 1999: Wyrzuty skalno-gazowe w świetle badań laboratoryjnych i modelowych. IGSMiE PAN, Kraków.
• [25] Ujihira M., Higuchi K., Nabeya H., 1985: Scale model studies and theoretical considerations on the mechanism of coal and gas outburst, Proc. 21st Int. Conf. Of Safety in Mines Res. Inst., Sydney, NSW, 121-127.