Zmiany właściwości mechanicznych i termicznych skał podczas procesu podziemnego zgazowania węgla

67 Cuprum nr 1 (66) 13 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 3 C, 6 C oraz 1 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 []. 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 4 do pokładu 51 w KWK Wieczorek. Przeprowadzone badania właściwości mechanicznych i termicznych łupku ilastego, łupku piaszczystego i ilastego zapiaszczonego oraz piaskowca, po wygrzaniu do temperatury 1 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 3, 3-59 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 3 C (lub 4 C), 6 C. Kryterium wyboru tych temperatur wyn ikało z charakterystycznych stref zgazowania [,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 5 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, 1,, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oraz 1 C były ważone za pomocą wagi laboratoryjnej WPT [6]. Procedura prażenia obejmowała czas dojścia do zadanej temperatury, który wynosił ok. min oraz czas prażenia 1 min. Zmiany powyższego czasu w poszczególnych zakresach temperatur powodowane były bezwładnością układu. Dodatkowo w temperaturze 1 C próbki były pra żone przez 4 godziny [8]. Wygrzewanie próbek przeprowadzono w piecu muflowym SM z mikroprocesorowym regulatorem. Przeprowadzone badania strat prażenia do 1 C wykazały, że najmniejszym ubytkiem masy charakteryzują się piaskowce (seria nr 4 i 9 kolory zielone), gdzie m =,33 3,39% (rys. 1). Największe straty prażenia wykazały łupki ilaste (seria 7, 8 i 1 kolory żółto-czerwone), odpowiednio 9,56%, 1,43%, 8,78%. Ubytek masy w łupkach piaszczystych i łupkach ilastych zapiaszczonych (serie nr 4.3/4.4, 1, 3 i 1 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. 5 C do 7 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

Zmiany właściwości mechanicznych i termicznych skał 69 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 47 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. 5 C do 54 C, by w ci ągu kolejnych 9 C ponownie wzrosnąć (rys. ). Kolejną szczytową wartość strumień ten osiąga przy temperaturze ok. 98 C. Utrata masy od C do 1 C wynosi 7,45%. Dla łupków piaszczystych największe chwilowe zmiany strumienia cieplnego zachodzą w zakresie temperatur 4 47 C, natomiast po przekroczeniu 56 C strumie ń cieplny przechodzący przez próbkę jest praktycznie stały (rys. 3). Utrata masy od C do 1 C wynosi 4,77%. W przypadku piaskowców wartość strumienia cieplnego stale maleje, a w temperaturze 57 C następuje lokalnie jego kilkuprocentowy spadek (rys. 3). Nieznaczne wahnięcie strumienia następuje także po osiągnięciu temperatury ok. 1 C. Utrata masy od C do 1 C wynosi 1,9%. Nieco niższe wartości strat prażenia dla wszystkich skał mogą wynikać z innej metodyki badań, związanej z izolacją układu w aparacie NETSCH. Rys.. Analiza derywatograficzna próbki łupku ilastego (seria 7.)

7 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 45 5 C, spalały się 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 [1]. 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.

Zmiany właściwości mechanicznych i termicznych skał 71. Zmiany właściwości termicznych i mechanicznych skał w temperaturach 3 C, 6 C i 1 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 1 C, ale także temperaturach 3 C i 6 C. Mała obj ętość pobranych brył nie pozwoliła na wykonanie badań właściwości mechanicznych skał co 1 C. W tabeli 1 pokazano, jakie zmiany strukturalne zachodziły w skałach po ich wyprażeniu i ściśnięciu na maszynie wytrzymałościowej. Zmiany strukturalne próbek skał po wyprażeniu do żądanej temperatury stan po badaniu ich wytrzymałości na ściskanie Tabela 1 Rodzaj skały Nr serii Temperatura, C 3/4* 6 1 Piaskowiec 9 Piaskowiec 4 Łupek piaszczysty 1

7 P. Małkowski, K. Skrzypkowski Rodzaj skały Nr serii Temperatura, C 3/4* 6 1 Tabela 1 c.d. Łupek piaszczysty 4.3/4.4 Łupek ilasty 8 * dla piaskowca pierwsza temperatura graniczna została określona dla 4 C Ponieważ próbki skał różniły się znacząco strukturą po ich wyprażeniu w temperaturze 3 C, 6 C oraz 1 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,,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 1 C 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 1 C; a widok próbki po teście ściskania, b wykres siła-przemieszczenie uzyskany z maszyny wytrzymałościowej

Zmiany właściwości mechanicznych i termicznych skał 73 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 3 C wytrzymało ść na ściskanie pozostaje praktycznie bez zmian, natomiast w temperaturze ok. 6 C nast ępuje ich wyraźne wzmocnienie (rys. 6a i 7a). Wytrzymałość na ściskanie wzrasta o ponad 15% z 6 7 MPa do 16 17 MPa. Co ciekawe, w temperaturze 1 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 6 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 6 C następuje bardzo szybka utrata sprężystości skały i po wyprażeniu jej do temperatury 1 C moduł E wynosi ok.,5 3, GPa. Zatem jest on wówczas niższy od badanego w warunkach temperatury pokojowej nawet trzykrotnie. 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 ość c ie p ln a c p [k J /k g *K ] 3,8,6,4, 1,8 1,6 1,4 1, 1,8,6,4, 1 3 4 5 6 7 8 9 1 Wytrzymałość na ściskanie Rc 18 17 16 15 14 13 1 11 1 9 8 7 6 5 4 3 1 W ytr zy m ałość n a śc isk an 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 ość c ie p ln a c p [k J /k g * K ] 3,8,6,4, 1,8 1,6 1,4 1, 1,8,6,4, Moduł Younga E, 1 3 4 5 6 7 8 9 1, 15, 1, 5, M o d u ł Y o u n g a E [G P a ] 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

74 P. Małkowski, K. Skrzypkowski 1 16 1 15, 15 W spółczynnik przew odzenia ciepła l[w /J*K] Pojemność cieplna cp [kj/kg*k] 8 6 4 Wytrzymałość na ściskanie Rc 14 13 1 11 1 9 8 7 6 5 4 3 Wytrzymałość na ściskanie Rc [MPa] W spółczynnik przew odzenia ciepła l[w /J*K ] Pojemność cieplna cp [kj/kg*k ] 8 6 4 Moduł Younga E 1, 5, Moduł Younga E [GPa] 1 1 3 4 5 6 7 8 9 1, 1 3 4 5 6 7 8 9 1 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). łupków piaszczystych w zakresie temperatur 3 C maleje ponad dwukrotnie, aby następnie do osiągnięcia temperatury 1 C oscylowa ć wokół tej wartości. Z kolei pojemność cieplna właściwa nieznacznie rośnie, najbardziej w zakresie temperatur 5 6 C, lecz nie są to aż tak istotne zmiany, aby w ponad 1-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. 5 C sprawiło, że można analizować tylko zmianę wytrzymałości na ściskanie i modułu Younga do temperatury 3 C (rys. 8a i 8b). Pomiary dla łupków ilastych serii 8 pokazują, że dla tego zakresu temperatur wytrzymałość na ściskanie rośnie (o ok. 3%), 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 C do 3 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 3 C skutkuje wzrostem wytrzymało ści i bardzo nieznacznym spadkiem sprężystości.

75 Zmiany właściwości mechanicznych i termicznych skał W s p ó ł c z y n n ik p r z e w o d z e n ia c ie p ł a l [W /J * K ] P o je m n oś c c ie p ln a c p [ k J /k g * K ] 3,4 3, 3,8,6,4, 1,8 1,6 1,4 1, 1,8,6,4, 1 3 4 5 6 7 8 9 1 Wytrzymałość na ściskanie Rc 1 9 8 7 6 5 4 3 1 W y t r z y m a łość n a ś c is k a n ie R c [ M P a ] W s półc zy nnik prz ew odze nia cie pła l[w /J *K ] P oje m ność cieplna cp [kj /kg*k ] 3,4 3, 3,8,6,4, 1,8 1,6 1,4 1, 1,8,6,4, 1 3 4 5 6 7 8 9 1 Moduł Younga E 1, 8, 6, 4,,, Moduł Younga E [GPa ] Rys. 8a. Porównanie zmian wytrzymałości na ściskanie, przewodnictwa ciepła i pojemności cieplnej na skutek zmian temperatury łupek ilasty seria 8 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 R c w zależności od temperatury piaskowców serii 4 i 9 pokazują różne ich zmiany (rys. 9a i 1a). Dla serii 4 w temperaturach 4 C i 6 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. 3 MPa) i dopiero w temperaturze 6 C. Nast ępnie w przypadku serii 4, wytrzymałość wzrasta do ok. 4 MPa, natomiast dla serii 9 nadal maleje, osiągając wartość ok. 3 MPa w temperaturze 1 C. Podobne zmiany jakościowe, choć nie ilościowe, zachodzą w przypadku modułu sprężystości liniowej (rys. 9b i 1b). Dla piaskowca serii nr 4 od temperatury C do 4 C moduł maleje od 8,7 GPa do 1, GPa, utrzymuje swoją wartość w temperaturze 6 C, po czym po wyprażeniu skały do temperatury 1 C moduł E wynosi 3, GPa. Wahania tego parametru są zatem wyższe niż wahania R c. Dla serii 9 wartość modułu Younga cały czas maleje, w wybranych zakresach temperatur wynosząc odpowiednio: 9,3 GPa, 6,9 GPa,,3 GPa i,9 GPa. Na przebieg zmian analizowanych parametrów mechanicznych raczej również nie ma wpływu zmiana właściwości termicznych (rys. 1a i 1b). Współczynnik przewodzenia ciepła λ piaskowców serii 9 w zakresie temperatur 4 C maleje prawie pi ęciokrotnie, aby następnie ustalić się wokół wartości 1 W/J K (rys 1). 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 5 1, 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 ] Pojem ność cieplna cp [kj/kg*k ] 15 1 5 Wytrzymałość na ściskanie Rc 4 3 1 W ytrzym ałość na ściskanie Rc [M Pa ] 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 ośćc ie p ln a c p [k J /k g * K ] 15 1 5 Moduł Younga E 5, M oduł Y ounga E [G P a ] 1 3 4 5 6 7 8 9 1, 1 3 4 5 6 7 8 9 1 Rys. 9a. Porównanie zmian wytrzymałości na ściskanie, przewodnictwa ciepła i pojemności cieplnej na skutek zmian temperatury piaskowiec seria 4 Rys. 9b. Porównanie zmian modułu Younga, przewodnictwa ciepła i pojemności cieplnej na skutek zmian temperatury piaskowiec seria 4 6 6 6 1, W spółczynnik przew odzenia ciepła l[w /J*K ] Pojemność cieplna cp [kj/kg*k ] 4 Wytrzymałość na ściskanie Rc 5 4 3 1 Wytrzymałość na ściskanie Rc [MPa] W spó łczyn nik przew od zenia ciep ła l[w /J*K ] Pojemność cieplna cp [kj/kg *K ] 4 Moduł Younga E 5, Moduł Younga E [GPa] 1 3 4 5 6 7 8 9 1, 1 3 4 5 6 7 8 9 1 Rys. 1a. Porównanie zmian wytrzymałości na ściskanie, przewodnictwa ciepła i pojemności cieplnej na skutek zmian temperatury piaskowiec seria 9 Rys. 1b. Porównanie zmian modułu Younga, przewodnictwa ciepła i pojemności cieplnej na skutek zmian temperatury piaskowiec seria 9 W tabeli 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.

Zmiany właściwości mechanicznych i termicznych skał 77 Porównanie procentowe analizowanych parametrów strukturalnych, mechanicznych i termicznych w odniesieniu do wysokich temperatur Tabela Parametr [ o C] Utrata masy m [%] Temperatura Wytrzymałość na ściskanie R c [MPa] Moduł Younga E [GPa] Łupek piaszczysty seria nr 1 3 6 1 Łupek piaszczysty seria nr 4.3/4.4 3 6 Rodzaj skały 1 Piaskowiec seria nr 4 4 6 1 Piaskowiec seria nr 9 -, -1,7-5,5 -, -1,7-5,5 -, -,6 -,3 -,3-1,5-3,4 6,9 +3 +16 6 8,79 +11 +15 + +13 68,1 +4 778 3,5 +11 6 4 6 1 +14 46,6-69 -7-13 55,9-4 -41-58 +31 +77-55 8,83-86 -87-56 9,34-6 -75-91 Współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/m K] Pojemność cieplna c p [kj/kg K],66-46 -46-57 4,6-81 -76-54 3,17-54 -67-5 5,53-7 -79-8 1,5 +6 +57 +4 1,4-4 +14 1 +6 1 Uwagi: - spadek, + wzrost w stosunku do wartości początkowej 1,6 +69 + 4 +39 6 1,36-34 - -9 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. 57 6 C. Badania Mao [1] 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 8 C oraz co 1 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 1 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 45 5 C, wypalaj ą się i rozpadają na niewielkie kawałki. Wynikające z ogrzewania straty prażenia dla poszczególnych skał wynoszą kolejno: dla piaskowców ok.,33 3,39%, dla łupków piaszczystych i łupków ilastych zapiaszczonych 5,34 5,87%, a dla łupków ilastych 9,56 1,43%. 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 4 57 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.

Zmiany właściwości mechanicznych i termicznych skał 79 Bibliografia [1] Dengina N., Kazak V., Pristash V., 1993, Changes in rocks at high temperature. Journal of Mining Science. Vol. 9, Issue 5. [] Drzewiecki J., Konopko W., 1, Generator podziemnego zgazowania węgla w technologii górniczej. Przegląd Górniczy, nr 1, s. 54-58. [3] Hettema M.H.H., Pater C.J., Wolf K.-H.A.A., 199, High temperature properties of roof rock of coal. Rock characterization: ISRM International Symposium Eurock 9, Chester UK, J.A. Hudson ed., London, s. 93-98. [4] Korzeniowski W., Skrzypkowski K., 1, Badania zmian wybranych właściwości geomechanicznych skał pod wpływem temperatury do 11 C w aspekcie potencjalnych możliwości procesu podziemnego zgazowania węgla. Przegląd Górniczy, nr 5. [5] Luo J., Wang L., 11, 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., 1, Raport okresowy z badań i prac technicznych wykonanych w okresie: 1.7.1 3.6.1. Część Tematu Badawczego nr 1..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., 1, 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., 1, Structural changes of rocks subjected to high temperatures and their impact on thermal parameters. GEKO 1 : 4th traditional international colloquium on Geomechanics and geophysics. Ostravice. [9] Małkowski P., Skrzypkowski K., Bożęcki P., 11, Zmiany zachowania się skał pod wpływem wysokich temperatur w rejonie georeaktora. Prace Naukowe GIG: Górnictwo i Środowisko nr 4/, Główny Instytut Górnictwa, Katowice. [1] Mao X., Zhang L., Li T., Liu H., 9, Properties of failure mode and thermal damage for limestone at high temperature. Mining Science & Technology no 19, s. 9-94. [11] Tian H., Kempka T., Schluter R., Feinendegen M., Ziegler M., 9, Influence of high temperature on rock mass surrounding in situ coal conversion sites. 1th International Symposium on Environmental Geotechnology and Sustainable Development ISEGSD. Bochum, Germany. [1] Tian H., Kempka T., Xu N., Ziegler M., 1, 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., 9, Underground Coal Gasification Field Experiment in the High-dipping Coal Seams. Energy Sources, Part A, nr 31, s. 854-86. [14] Zhang L., Mao X., Lu A., 9, Experimental study on the mechanical properties of rocks at high temperature. Science in China Series E: Technological Sciences, vol. 5, no 3, s. 641-646. [15] Zhi-jun W., Yang-sheng Z., Yuan Z., Chong W., 9, Research status quo and prospection of mechanical characteristics of rock under high temperature and high pressure. Procedia Earth and Planetary Science, no 1, s. 565-57. Pracę wykonano w ramach Zadania Badawczego nr 3 pt.: "Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej" - Cz.T.B 1..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 3.3.66.89/R34.

8 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 3 C, 6 C and 1 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.