Zmiany właściwości mechanicznych i termicznych skał podczas procesu podziemnego zgazowania węgla

(1)

___________________________________________________________________ 1)_{AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie,}

al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Piotr Małkowski

1)

Krzysztof Skrzypkowski

1)

Zmiany wła

ś

ciwo

ś

ci mechanicznych i termicznych skał

podczas procesu podziemnego zgazowania w

ę

gla

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 parame-trów 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 tem-peratury na skały, autorzy wykazali graniczne temtem-peratury, 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 elek-trycznej”, które finansowane jest przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach strate-gicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych „Zaawansowane technologie pozyski-wania energii”.

Wprowadzenie

Badania wpływu wysokich temperatur na skały prowadzone są w związku z

realizowa-nym w Polsce projektem podziemnego zagazowania węgla (PZW). Instalacja taka

po-wstanie w KWK „Wieczorek”. Zgodnie z aplikowaną technologią i występującymi

pod-czas procesu spalania węgla zagrożeniami, początkowe odcinki kanałów gazowych

(lub chodników) zostaną wykonane w skałach płonnych [2]. Stworzy to korzystne

wa-runki do likwidacji generatora PZW. Zbudowanie kanału ogniowego w skałach

otacza-jących 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

mecha-nicznych i termicznych łupku ilastego, łupku piaszczystego i ilastego zapiaszczonego

oraz piaskowca, po wygrzaniu do temperatury 1000°C, pokazały że stopień zmian

wy-nikających z działania na skały wysokiej temperatury jest zróżnicowany [4,7,8,9].

(2)

przebie-_____________________________________________________________________

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

progo-wych zmian zachowania się skał osadowych poddanych wysokim temperaturom [1,9].

1. Straty pra

ż

enia i zachowanie si

ę

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 zapiasz-czonych i piaszczystych. Próbki skał w trakcie ich wygrzewania w temperaturach 20,

100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 oraz 1000°C były ważone 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

ukła-du. Dodatkowo w temperaturze 1000°C próbki były prażone przez 24 godziny [8].

Wy-grzewanie próbek przeprowadzono w piecu muflowym SM 2000 z mikroprocesorowym regulatorem.

Przeprowadzone badania strat prażenia do 1000°C wykazały, że najmniejszym

ubyt-kiem 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%.

(3)

Wykonane badania utraty masy oraz zakresów temperatur, gdzie jest ona największa, zostały potwierdzone pomiarami termograwimetrycznymi (krzywe TG) oraz kaloryme-trycznymi (krzywe DSC) wykonane analizatorem termicznym NETZSCH STA 449 F3

Jupiter® [6]. Urządzenie STA 449 F3 Jupiter umożliwia analizę termiczną z

jednocze-snym wykorzystaniem dwóch technik badawczych: Termograwimetrii i Skaningowej

Kalorymetrii Różnicowej (TG-DSC) oraz Termograwimetrii i Termicznej Analizy Róż

ni-cowej (TG-DTA) w stosunku do jednej próbki. Możliwość przeprowadzania

jednocze-śnie analizy TG-DTA lub TG-DSC gwarantuje uzyskanie niezależnych sygnałów

reje-strowanych w tych samych warunkach pomiarowych, tj. przy tej samej szybkości

grza-nia, 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

ciepl-nego materiałów, wykorzystując laserową metodę impulsową. Analiza termiczna

bada-nych 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

tem-peratury ok. 500°C do 540°C, by w ci ągu kolejnych 90°C ponownie wzrosnąć (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 następuje 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.

(4)

_____________________________________________________________________

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

wytrzymało-ściowo-odkształceniowe są piaskowce. Próbki łupków piaszczystych często pękały

wzdłuż powierzchni uławicenia, natomiast próbki łupków ilastych, po ogrzaniu ich do

temperatury 450÷500°C, spalały się i rozpadały na niewielkie kawałki, uniemożliwiając

w ten sposób wykonywanie na nich dalszych badań [4,7,8]. Stwierdzono, że

zachowa-nie spójności skał łupku piaszczystego i łupku ilastego zapiaszczonego jest uzależ

nio-ne od zawartości części ilastych i lamin węglowych, podobnie, jak stwierdził to Tian

[11]. Z kolei zabarwienie skał osadowych związane jest z rodzajem spoiwa wypełniają

-cym skałę [12]. Badania prowadzone w Aachen dowodzą, że spoiwo gliniasto-żelaziste

wypala się na kolor czerwony lub brunatny, natomiast wypełnienie przestrzeni

(5)

2. Zmiany wła

ś

ciwo

ś

ci termicznych i mechanicznych skał

w temperaturach 300°C, 600°C i 1000°C

Wykonane badania strat prażenia pozwoliły przypuszczać, że opisane powyżej

prze-działy 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

wypra-żono je nie tylko w docelowej dla procesu zgazowania temperaturze 1000°C, ale także

temperaturach 300°C i 600°C. Mała obj ętość pobranych brył nie pozwoliła na

wykona-nie badań właściwości mechanicznych skał co 100°C. W tabeli 1 pokazano , jakie

zmia-ny strukturalne zachodziły w skałach po ich wyprażeniu i ściśnięciu na maszynie

wy-trzymałościowej.

Tabela 1 Zmiany strukturalne próbek skał po wyprażeniu do żądanej temperatury

– stan po badaniu ich wytrzymałości na ściskanie

Rodzaj skały Nr serii Temperatura, ˚C 300/400* 600 1000 Piaskowiec 9 Piaskowiec 4 Łupek piaszczysty 1

(6)

_____________________________________________________________________ Tabela 1 c.d. Rodzaj skały Nr serii Temperatura, ˚C 300/400* 600 1000 Łupek piaszczysty 4.3/4.4 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 obciąż

e-nia. 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,

przy-rost 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 10000_{C pod obci}_ąż_{eniem uległ}

całkowi-temu rozdrobnieniu (rys. 5a), przy widocznym wypłaszczeniu charakterystyki napręż

e-niowo-odkształceniowej w początkowej fazie badania (rys. 5b). Bardzo podobnie

za-chowywały się próbki wszystkich pozostałych badanych skał.

Rys. 5. Piaskowiec po wyprażeniu w temperaturze 1000°C; a – widok próbki po teście ściskania,

(7)

Badania właściwości termicznych pokazały, że przebiegi zmian współczynnika

prze-wodności 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

ter-micznych wpływają na zmiany właściwości mechanicznych ośrodka skalnego. Dla

po-równania, spośród parametrów termicznych wybrano współczynnik przewodzenia

cie-pła oraz pojemność cieplną, a spośród mechanicznych – wytrzymałość na ściskanie

i moduł sprężystości liniowej (Younga).

Porównując wyniki badań zmian wytrzymałości na ściskanie, w zależności od

tempera-tury, z wynikami zmian przewodnictwa cieplnego i pojemności cieplnej łupków

piasz-czystych serii 1 i 4.3/4.4 stwierdzono, że do temperatury 300°C wytrzymałość na ś

ci-skanie pozostaje praktycznie bez zmian, natomiast w temperaturze ok. 600°C nastę

pu-je 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

za-kresie temperatur 0÷600°C rośnie 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 następuje 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 niż

-szy od badanego w warunkach temperatury pokojowej nawet trzykrotnie.

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 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperatura T [C] 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 ] 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 M o d u ł Y o u n g a E [G P a ]

Współczynnik przewodzenia ciepła λ

Ciepło właściwe cp

Moduł Younga E 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperatura T [C] 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 ] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 W y tr z y m a ło ś ć n a ś c is k a n ie R c [M P a ]

(8)

_____________________________________________________________________

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

piasz-czystych w zakresie temperatur 0÷300°C maleje ponad dwukrotnie, aby następnie do

osiągnięcia temperatury 1000°C oscylować wokół tej wartości. Z kolei pojemność

ciepl-na 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 właś

ci-wości 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

tempera-turze ok. 500°C sprawiło, że można analizować tylko zmianę wytrzymałości na ś

ciska-nie 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

pojem-ności cieplnej właściwej wskazuje, że od temperatury 20°C do 300°C nast ępuje

parabo-liczny gwałtowny spadek obu parametrów, który wynosi 5÷6 razy. Można zatem

stwier-dzić, że wzrost przewodności cieplnej i spadek pojemności cieplnej dla łupków ilastych

w zakresie 20÷300°C skutkuje wzrostem wytrzymałości i bardzo nieznacznym

spad-kiem sprężystości.

0 2 4 6 8 10 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperatura T [C] 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 ] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 W y tr z y m a ło ś ć n a ś c is k a n ie R c [M P a ]

Ciepło właściwe cp Wytrzymałość na ściskanie Rc 0 2 4 6 8 10 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperatura T [C] 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 ] 0,0 5,0 10,0 15,0 M o d u ł Y o u n g a E [ G P a ]

Ciepło właściwe cp Moduł Younga E

(9)

Wyniki badań zmian wytrzymałości na ściskanie Rc w zależności od temperatury

pia-skowców serii 4 i 9 pokazują różne ich zmiany (rys. 9a i 10a). Dla serii 4 w

temperatu-rach 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. Następnie w przypadku serii 4,

wytrzyma-łość 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 sprę

-żystości 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.

Waha-nia tego parametru są zatem wyższe niż wahania Rc. Dla serii 9 wartość modułu

Youn-ga 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 pię

ciokrot-nie, aby następnie ustalić się wokół wartości 1 W/J⋅K (rys 10). Z kolei pojemność

ciepl-na właściwa praktycznie się nie zmienia w całym badanym przebiegu temperatur

wyno-sząc ok. 1 J/kg⋅K. W przypadku piaskowców serii 4 zmiany obu analizowanych

parame-trów termicznych są minimalne (rys. 9). W przypadku piaskowców trudno jest zatem

mówić o jakichkolwiek zależnościach pomiędzy właściwościami mechanicznymi a

ter-micznymi. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperatura T [C] 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 c c ie p ln a c p [ k J /k g *K ] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 W y tr z y m a ło ś ć n a ś c is k a n ie R c [ M P a ]

Wytrzymałość na ściskanie Rc 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperatura T [C] 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 ] 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 M o d u ł Y o u n g a E [ G P a ]

Współczynnik przewodzenia ciepła λ Ciepło właściwe cp Moduł Younga E

(10)

_____________________________________________________________________

Rys. 9a. Porównanie zmian wytrzymałości na

ściskanie, przewodnictwa ciepła i pojemności cieplnej na skutek zmian temperatury

– piaskowiec seria 4

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. 0 5 10 15 20 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperatura T [C] 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 ] 0 10 20 30 40 50 W y tr z y m a ło ś ć n a ś c is k a n ie R c [M P a ]

Ciepło właściwe cp Wytrzymałość na ściskanie Rc 0 5 10 15 20 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperatura T [C] 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 ] 0,0 5,0 10,0 M o d u ł Y o u n g a E [ G P a ]

Ciepło właściwe cp Moduł Younga E 0 2 4 6 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperatura T [C] 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 ] 0 10 20 30 40 50 60 W y tr z y m a ło ś ć n a ś c is k a n ie R c [ M P a ]

Ciepło właściwe cp Wytrzymałość na ściskanie Rc 0 2 4 6 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperatura T [C] 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 ] 0,0 5,0 10,0 M o d u ł Y o u n g a E [ G P a ]

Ciepło właściwe cp Moduł Younga E

(11)

Tabela 2 Porównanie procentowe analizowanych parametrów strukturalnych, mechanicznych

i termicznych w odniesieniu do wysokich temperatur

Parametr Rodzaj skały

Łupek piaszczysty seria nr 1 Łupek piaszczysty seria nr 4.3/4.4 Piaskowiec seria nr 4 Piaskowiec seria nr 9 Tempe-ratura [o_C] 2 0 3 0 0 6 0 0 1 0 0 0 2 0 3 0 0 6 0 0 1 0 0 0 2 0 4 0 0 6 0 0 1 0 0 0 2 0 4 0 0 6 0 0 1 0 0 0 Utrata masy ∆m [%] 0 -0,2 -1,7 -5,5 0 -0,2 -1,7 -5,5 0 -0,2 -0,6 -2,3 0 -0,3 -1,5 -3,4 Wytrzy-małość na ś ci-skanie Rc [MPa] 60,9 +23 +16 6 +13 68,1 +4 +11 6 +14 46,6 -69 -70 -13 55,9 -4 -41 -58 Moduł Younga E [GPa] 8,79 +11 +15 +2 778 3,5 +31 +77 -55 8,83 -86 -87 -56 9,34 -26 -75 -91 Współ-czynnik przewo-dzenia ciepła λ [W/m⋅K] 2,66 -46 -46 -57 4,06 -81 -76 -54 3,17 -54 -67 -52 5,53 -72 -79 -80 Pojem-ność cieplna cp [kJ/kg⋅K] 1,25 +6 +57 +24 1,42 -42 +14 1 +26 1 1,06 +69 +22 4 +39 6 1,36 -34 -22 -29

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 podobień

-stwo 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

otrzyma-nych 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

(12)

_____________________________________________________________________

Podobne wnioski o braku podobieństwa wyników można wysnuć analizując wyniki

ba-dań 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. Duża 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

po-kazują, że skałami, które nie ulegają rozpadowi są piaskowce. Próbki łupków

piaszczy-stych często pękają wzdłuż powierzchni uławicenia, natomiast próbki łupków ilastych,

po ogrzaniu ich do temperatury 450÷500°C, wypalają się i rozpadają na niewielkie

ka-wałki. Wynikające z ogrzewania straty prażenia dla poszczególnych skał wynoszą

ko-lejno: 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

labo-ratoryjnych.

Analizy derywatograficzne pokazują, że dla wszystkich badanych skał progowymi

war-tościami temperatur, w których zachodzą największe zmiany masy i wahania przepływu

ciepła to 400÷570°C. Dolny zakres temperatur odpowiada głównie łu pkom

piaszczy-stym, natomiast górny piaskowcom i łupkom ilastym.

W przypadku skał karbońskich trudno jest stwierdzić zależność pomiędzy właś

ciwo-ściami mechanicznymi a termicznymi. Wykonana analiza zmian wytrzymałości na ś

ci-skanie 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 iloś

cio-wo 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

laboratoryj-nych, in situ, ex situ, jak i za pomocą metod numerycznych. W tym przypadku okreś

lo-ne właściwości skał przed i w trakcie ogrzewania będą wykorzystane przy modelowaniu

(13)

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 geome-chanicznych skał pod wpływem temperatury do 1100 ˚C w aspekcie potencjalnych moż

liwo-ści 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 wła-sności 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

sub-jected to high temperatures and their impact on thermal parameters. GEKO 2012 : 4th tradi-tional internatradi-tional 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 tem-perature on rock mass surrounding in situ coal conversion sites. 10th International Sympo-sium 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 Experi-ment 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. 641-646.

[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 geogazodyna-micznych”, które finansowane jest przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju" w ra-mach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii”. Nr umowy AGH 23.23.660.8902/R34.

(14)

_____________________________________________________________________

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 temper-atures. 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.”