Свойства серы и серных руд.

Метод ПВС применяют для разработки месторождений само­родной серы. Самородная сера в природных условиях существует в основном в двух модификациях: α-сера и β-cepa. α-cepa кристал­лизуется в ромбической сингонии, она устойчива при температуре ниже 95,5°С, ее плотность равна 2,06∙103 кг/м3. При температуре выше 95,5°С α-сера переходит в β-серу. Этот переход относится к фазовым переходам первого рода, так как при этом выделяется теплота перехода в количестве 10,9кДж/кг. β-сера кристаллизу­ется в моноклинной сингонии в виде иголочек, ее плотность 1,96∙103 кг/м3, температура плавления 119°С, а скрытая теплота плавления 38,5 кДж/кг. При повышенных давлениях в процессе остывания сера остается в моноклинной сингонии вплоть до есте­ственных температур. В природных условиях самородная серп в основном представлена β-серой и в меньшей степени β-серой.

Коэффициент объемного теплового расширения твердой серы (ω) в диапазоне температур от 15 до 100 °С изменяется от 1,7 ∙10 -5 до 3,5∙10 -5 1/°С, а для жидкой серы в диапазоне температур от 120 до 163 °С он изменяется следующим образом: при T=120°С ω =426∙10-6 1/°С, при T=151,7°С ω=493∙10 -6 1/°С и при T=163°С ω = 126∙10 -6 1/°С.

Удельная теплоемкость твердой серы изменяется от 0,67 до 0,8 кДж/(кг∙°С), а у жидкой серы она значительно боль­ше. Максимальная удельная теплоемкость жидкой серы (1,86 кДж/(кг∙°С); имеет место при Т=158°С.

Теплопроводность твердой серы в диапазоне температур от20°С до температуры плавления уменьшается с 0,27 до 0,128 Вт/(м∙оС); при дальнейшем нагревании жидкой серы ее теплопроводность не­значительно повышается и при Т=200°С становится равной 0,15 Вт/(м∙°С).

Одним из важнейших свойств серы применительно к ее подзем­ной выплавке является вязкость. Способность жидкой серы при ее нагревании значительно понижать свою вязкость положена в осно­ву метода ПВС. При температуре плавления вязкость серы равна 0,011 Па∙с, при дальнейшем нагреве вязкость ее понижается и становится минимальной (0,0065 Па∙с) при Т=159°С. Дальней­шее нагревание серы сопровождается увеличением ее вязкости вплоть до Т=187°С, когда вязкость становится максимальной (93,1 Па∙с). При последующем нагревании серы ее вязкость снова уменьшается и при Т = 400°С становится равной 0,16 Н∙с/м2.

При температуре 444,6 °С сера закипает. Температура воспла­менения серы в зависимости от степени ее чистоты изменяется в диапазоне от 214 до 280 °С. С увеличением примесей в сере повы­шается температура ее воспламенения и понижается вязкость. Смесь серных паров или пыли с воздухом при температуре воспла­менения может взрываться.

Месторождения самородной серы имеют пластообразную, линзовидную или гнездообразную форму. Вмещающими породами для самородной серы являются известняки и реже гипсоангидриты. Текстура серных руд может быть полосчатая, вкрапленная, прожилковая, гнездовая, брекчиевидиая. В качестве покрывающих и подстилающих пород могут быть глины, мергели, нерудоносные плотные известняки, гипсоангидриты, каменная соль.

Плотность серных руд изменяется от 2,38∙103 до 2,66∙103 кг/м3 и зависит от содержания серы. Плотность вмещающих известняков равна (2,7—2,8) ∙ 103 кг/м3.

Прочность на сжатие серных руд изменяется в весьма широком диапазоне [(1—6) ∙ 10 7 Па] и увеличивается с уменьшением со­держания серы. Прочность на сжатие вмещающих пород изменя­ется от 7∙107 до 108 Па. После выплавления серы из руды проч­ность на сжатие образовавшегося при этом породного скелета в 30—40 раз уменьшается по сравнению с прочностью серной руды. В связи с этим при ПВС необходимо предусматривать мероприя­тия по предотвращению нежелательных явлений вокруг серодо-бычных скважин в результате сдвижения массива.

Модуль упругости серных руд Е в среднем равен 4∙1010 Па, для серы Е=0,85 ∙1010 Н/м2, для вмещающих пород Е=(4—6) ∙1010 Н/м2.

Коэффициент линейного теплового расширения серных руд в диапазоне температур от 20 до 110°С изменяется от 0,2 ∙10-5 до 2,5 ∙10-5 1/°С. Зависимость коэффициента линейного теплового рас­ширения серных руд в этом диапазоне температур имеет два ма­ксимума: первый при температуре около 70 °С, а второй при 110°С, причем второй по абсолютному значению гораздо больше, чем первый.

Под действием термических напряжений, возникающих в сер­ной руде в связи с тепловым расширением, происходит разрушение каверн, что увеличивает проницаемость руды и способствует повы­шению извлечения серы.

Удельная теплоемкость и теплопроводность серных руд в диа­пазоне температур 20—100 °С мало изменяются и соответственно равны с=0,7—1,8 кДж/(кг .°С) и λ=0,5—1,5 Вт/(м .°С). Удельная теплоемкость и теплопроводность известняка при этих же темпе­ратурах составляют с=0,67—1 кДж/(кг . °С) и λ=1—2,3 Вт/(м . °С).

Удельная теплоемкость серных руд при нагреве до 70 °С прак­тически не изменяется, при дальнейшем нагреве до 90—100°С она возрастает, а затем с ростом температуры выше 100 °С наблюдает­ся незначительное ее снижение.

Минимальное значение теплопроводности серных руд наблюда­ется при Т=50—70 °С, а максимальное при 90 °С. При дальней­шем увеличении температуры теплопроводность серных руд пони­жается.

Применительно к ПВС важными характеристиками серных руд являются проницаемость и коэффициент фильтрации, которые за­висят от пористости, трещиноватости, степени кавернозности и других факторов. Коэффициент проницаемости и коэффициент фильтрации характеризуют одно и то же явление — способность пород пропускать сквозь себя, жидкость и газы. Различие между ними заключается в том, что коэффициент проницаемости (Кпр , м2) учитывает давление жидкости и ее вязкость, а коэф­фициент фильтрации (Кф , м/сут) — нет. Эти два коэффициента соответственно определяются из следующих формул:

14.1

14.2

где Q — объемное количество жидкости, проходящее через сечение породы S за время τ, м3; Р — перепад давления жидкости на уча­стке породы длиной l, Па; η — вязкость жидкости, Н∙ с/м2.

Проницаемость серных руд изменяется в пределах от 0,3 до 1 Д. После выплавки серы из серной руды проницаемость пород­ного скелета увеличивается в 10—50 раз и достигает значений 10—20 Д. В монолитных некавернозных серных рудах проницаемость очень низкая. При подземной выплавке серы из таких руд перемещение теплоносителя в рудном теле происходит в основном по открытым порам и трещинам.

Коэффициент фильтрации серных руд изменяется в пределах от 10 до 100 м/сут. Для покрывающих и подстилающих пород место­рождений самородной серы коэффициент фильтрации значительно меньше и не превышает десятых долей метра в сутки.

Принцип и условия применения ПВС.