CC BY
27
М.С. Сазонов
аспирант ООО «ВостЭКО»
Я.С. Ворошилов
канд. техн. наук, заместитель директора ООО «Горный ЦОТ»
УДК 622.831.32:539.217.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ УДАРООПАСНОСТИ УГЛЕЙ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ МЕТАМОРФИЗМА ОТ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ УГЛЯ ВО ВРЕМЯ ЕГО СУШКИ
Приведены результаты исследования влияния десорбции влаги из каменных углей на прочностные и деформационные характеристики углей различной степени метаморфизма. Установлена зависимость между показателем удароопасности угольных пластов и влагосодержанием угля при его сушке. Ключевые слова: УДАРООПАСНОСТЬ, ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА, ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА, ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ, МИКРО- И СУПЕРМИКРОПОРЫ
В настоящее время для описания адсорбционных равновесий часто используются методы, в которых роль поверхностного адсорбента сводится лишь к созданию адсорбционного поля. Такое предположение существенно упрощает описание равновесия, но не является адекватным с физической точки зрения. В работе [1] на базе синтеза термодинамической теории изменения размеров микропористых адсор-
бентов при адсорбции и теории объемного заполнения микропор Дубинина (ТОМЗ) предложена математическая модель изменения объема и внутрипорового давления каменных углей со сложной пористой структурой, имеющих микро- и супермикропоры, при адсорбции (десорбции) влаги. Степени заполнения микро- и су-пермикропор были определены согласно разработанной модели [1] на базе синтеза термодинами-
ческой теории изменения размеров микропористых адсорбентов при адсорбции и теории объемного заполнения микропор Дубинина по типичной изотерме десорбции влаги каменным углем (рисунок 1). Также были рассчитаны значения внутрипоровых давлений для различных типов пор согласно разработанной модели [2] (формулы(1) и (2)).
Ниже приведены этапы заполнения угля влагой от абсолютно сухого при ф=0 до максимального гигроскопического состояния при ф=1. Структуру угля условно можно разделить на кристаллическую и аморфную среду. Особенно интенсивно молекулы сорбируются в некристаллических участках. В аморфных участках вследствие более высокой подвижности звеньев макромолекул размеры микропор и расположение их в пространстве все время изменяются. Чем более аморфна среда, тем более «подвижно» пространственное перераспределение внутри нее микро-
где Р Рсм - соответственно давление в микропоре и супермикропоре, МПа;
хм, хсм - соответственно степень заполнения микропор и супермикропор; ^ - химический потенциал бинарного раствора; V - молярный объем; V = 22,41 л;
т 1 т
g - осмотический коэффициент, g = 1; Я - универсальная газовая постоянная, Джмоль-1К-1; Т - абсолютная температура, К.
полостей. В кристаллической части угля также возможно образование микрополостей - дефектов кристаллической структуры.
На начальном этапе заполнения водой угля она концентрируется в микропорах (меньше 0,7 нм). На первичных гидрофильных (полярных) адсорбционных центрах происходит образование, рост, слияние кластеров из сорбирующихся молекул воды. В результате наложения полей дисперсионных сил противоположных стенок микропор энергия адсорбции в микропорах значительно повышена, вследствие чего возникает отрицательное внутрипо-ровое давление [2]. При этом жидкая фаза во всем объеме испытывает растягивающие напряжения. Адсорбционные силы являются внешними по отношению к скелету угля, в котором они создают разнообразные и сложные механические напряжения. При влагосодержа-нии угля 0,9% (для данной марки угля СС), что соответствует влажности воздуха ф=0,25, все микропоры заполнены водой (рисунок 1). Образуются взаимные водородные связи между макромолекулами воды и с функциональными полярными группами макромолекул ви-тринита. Это снижает подвижность звеньев макромолекул и молекул
126
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
ф ->
а - влагосодержание угля; ф - влажность воздуха
Рисунок 1 - График изотермы десорбции влаги каменного угля
марки СС
0.015
0,010
0.005
0.000
-0,005
-0.010
-0,015
1
; 1
¡а С—
0.2
0,4 рв,6 0.8 1
мнкропорь: отгершифопорьэ меюпоры
<р
Марки угля: 1 - Д; 2 - КО; 3 - КС; 4 - СС
Рисунок 2 - График зависимости относительного изменения объема ЛV/V0 (У0 - объем сухого образца угля) от влажности воздуха ф для различных марок угля
воды. Адсорбционная фаза находится под действием ванн-дер-ваальсовых сил и, следовательно, под положительным гидростатическим давлением, которое растягивает поверхность поры [2].
На следующем этапе заполнения водой угля при ф>0,25 заполняются супермикропоры согласно ТОЗМ. Насыщение влагой супермикро-пор происходит аналогичным образом, с той лишь разницей, что скелет угля уже находится под положительным гидростатическим давлением, присутствующим в микропорах. Следовательно, в момент насыщения влагой супермикропор скелет угля будет испытывать несколько давлений: положительное гидростатическое, присутствующее в микропорах, и отрицательное гидростатическое, присутствующее в супермикропорах. В момент заполнения (в данном случае десорбции - высвобождения влаги) суперми-кропор водой при влажности угля до 1,38% (для данной марки СС), что соответствует влажности воздуха до ф=0,5 (рисунок 1), наблюдается максимальная амплитуда между растягивающим и сжимающим гидростатическим давлением. Все это приводит к росту нерелак-сируемых внутренних напряжений.
Изменение объемно-напряженного состояния является следствием увеличения внутреннего давления, которое существенно возрастает при заполнении влагой суперми-кропор.
Известно, что при действии нагрузки на материалы с отверстиями около них происходит концентрация напряжений, которая при переходе за пределы текучести сглаживается, но затем с ростом пластических деформаций вновь возрастает. Эта концентрация напряжений увеличивает сопротивляемость материала разрушению и вызывает его упрочнение. Аналогичная картина имеется и здесь, только в микроскопическом масштабе. Следовательно, механизм образования дефектов и дислокаций можно представить примерно так. В напряженном состоянии в местах наименьшего сопротивления сдвигу (граница раздела кристаллической и аморфной сред) происходит концентрация напряжений, которая сопровождается возникновением локальных пластических деформаций, что и является причиной образования дефектов и дислокаций. Это хорошо согласуется с аномальными локальными волнообразными изменениями физико-механических характеристик углей, представленных в работе [3].
Для микропористых углеродных адсорбентов, которым является каменный уголь, величина адсорбционной деформации невелика, однако из-за высокого модуля всестороннего сжатия (расширения) твердого тела энергия, затрачиваемая на такую деформацию, - значительна. Она оказывает существенное влияние на физико-механические свойства каменных углей [3] и поэтому должна учитываться при определении прочностных и деформационных характеристик каменных углей.
Были выполнены экспериментальные исследования в лаборатории по определению десорбционной деформации каменных углей при различных значениях влагосодер-жания во время изотермической сушки. Были изучены шесть различных марок углей, пробы взяты непосредственно из забоя (таблица 1). Из принятых к исследованию проб горных пород были изготовлены 48 образцов призматической формы со сторонами 12x12x24 мм для каждой марки. Сушка образцов производилась в эксикаторах, где перепады влагосодержания в угле во время сушки минимальны. Затем образец помещали на стенд для измерения размеров микрометром. Результаты испытания не-
Таблица 1 - Марки каменных углей, принятых к лабораторным исследованиям
Марка угля Шахта, пласт Выход летучих Ус1а/, % Влажность угля Ж, %
Д «Октябрьская», Надбайкамский 43 6,74
Г «Полысаевская», Толмачевский 42,3 1,04
гж «Им. 7 Ноября», Надбайкамский 41,8 2,95
ко «Распадская-Коксовая», \\/-У 23,9 1,39
КС «Владимировская», Владимировский 21,9 1,36
СС Разрез «Кедровский» 18 1,47
Рисунок 3 - График зависимости относительного изменения объема AV/V от степени метаморфизма каменных углей
ест. 1 1 ■*
Рисунок 4 - График зависимости предела прочности при сжатии асж от степени метаморфизма угля (пунктиром показана зависимость в области «критической влажности супермикропор»)
которых марок угля представлены ниже (рисунок 2).
На рисунке 2 четко видна волнообразная зависимость изменения объемаугляотносительновоздушно-сухого состояния при ф=0 от влажности воздуха. Максимальное аномальное локальное волнообразное изменение объема образцов (их сжатие) наблюдается в области «критической влажности супермикропор» для всех марок углей почти на 0,5% относительно воздушно-сухого состояния и на 1% относительно первоначального состояния при естественной влажности (рисунок 3). Например, для того, чтобы попасть в область «критической влажности супермикропор», необходимо высушить уголь марки СС с естественным влагосодержанием 1,47 до 1,22 %, для угля марки Д с естественным влагосодержанием 6,74 до 4,21 %.
На рисунке 3 показано изменение объема образцов угля относительно первоначального состояния при естественной влажности от степени метаморфизма в области «критической влажности супермикропор». Здесь видно, что угли начальной стадии метаморфизма значительно изменяют свой объем (сжимаются) под действием сил внутрипорового давления, вызванных десорбцией влаги из каменных углей. Объяснить это можно тем, что, как известно, малометаморфизированные угли обладают большой внутренней поверхностью, а значит, и большей аморфной средой, где и сосредоточено значительное количество пор, поэтому энергия десорбционной деформации каменных углей для данных углей еще более значительна. Были выполнены эксперименты по исследованию прочностных и деформационных характеристик каменных углей с различным вла-госодержанием аналогично рабо-
те [3] для различных марок углей, указанных в таблице 1. После проведения исследований также было установлено, что в области «критической влажности супермикропор» значения предела прочности на сжатие увеличиваются, прочности на разрыв - снижаются, хрупкость увеличивается, коэффициент дро-бимости увеличивается, модули деформаций, упругости увеличиваются, коэффициент поперечной деформации и коэффициент Пуассона - увеличиваются. На рисунках 4 и 5 представлены графики зависимости предела прочности при сжатии и модуля упругости соответственно от степени метаморфизма угля (марки угля расставлены в ранжи-
рованном ряду по выходу летучих веществ справа налево).
Как видно из рисунков 4 и 5, значительное повышение предела прочности при сжатии на 35-40 % и увеличение модуля упругости на 25-30 % характерно лишь для ма-лометаморфизированных и сильно-метаморфизированных углей. Это можно объяснить в первом случае наличием кислородных связей, а во втором - ростом сил связи углеродных сеток, обуславливающих механическую прочность, которые под действием сил внутрипорового давления в области «критической влажности супермикропор» значительно изменяют объемно-напряженное
Рисунок 5 - График зависимости модуля упругости Е п от степени метаморфизма угля (пунктиром показана зависимость в области «критической влажности супермикропор»)
состояние каменного угля, что и приводит к локальному волнообразному изменению прочностных и деформационных характеристик углей. Как известно, минимум прочности углей средней стадии метаморфизма [4] объясняется тем, что энергия когезии уменьшается в результате уменьшения ковалент-ных и водородных связей. В то же время силы связи углеродных сеток только начинают расти, поэтому силы внутрипорового давления, возникающие в области «критической влажности супермикропор», незначительно изменяют объемно-напряженное состояние угля, что также приводит к локальному волнообразному изменению прочностных и деформационных характеристик угля, но в меньшей степени (20 и 15% соответственно). При дальнейшем изменении влаго-содержания в сторону уменьшения (продолжении изотермической сушки) влага начнет выходить из другого типа пор - микропор, и значения всех физико-механических характеристик снова стабилизируются [3]. В этой связи сам процесс сушки угля (изменение его влагосодержания) до области «критической влажности супермикропор» может являться одним из многих факторов, обуславливающих возникновение мощного динамического явления - горного удара. Анализ всех случаев горных ударов на шахтах Кузбасса [5] показывает, что они возникают на участках пластов с крепким углем при высокой концентрации опорного давления, в результате чего возможно интенсивное разрушение крепких пачек угля. Одним из определяющих условий возникновения горного удара являются соответствующие механические свойства пластов угля. Исследования ВНИМИ и опыт ведения горных работ на шахтах показывают, что в зависимости от прочности угля, мощности пласта и условий проявления горного давления горные удары в различных бассейнах России отмечаются как в зонах опорного давления от очистных работ, так и вдали от них при проходке различных подготовительных выработок в нетронутом массиве угля [5].
Рекомендованный ВНИМИ показатель удароопасности пласта В равен отношению упругих деформаций £у к общим £ ,%, при 75 % - ной нагрузке от разрушающей:
В
0.9
0,7
0.5
0.3
0.1
1 1 \ 2
__—-— ( (""Ч^ ____ 1 1 ! 1
1 1 1 1 1 1 1 1
мккропоры 1 1 о1 ерштхропоры I 1 1 мезопоры 1
0.1
0.2
0:3
9
0.4
0.5
0.6
0.7
Марки угля: 1 - Д; 2 - СС
Рисунок 6 - График зависимости показателя удароопасности пласта В от влажности воздуха ф для различных марок угля
В = (£ / £д)100%
(3)
Установлено, что при В>70% пласт потенциально опасен по горным ударам.
Были построены полные диаграммы деформирования для крепких углей марок Д и СС при естественном влагосодер-жании и высушенных до области «критической влажности супермикропор», затем рассчитан показатель удароопасности пласта В (рисунок 6).
научно-технический журнал № 2-2011
вестник 129
Современные представления о механизме хрупкого разрушения материалов, в частности горных пород [5], основаны на закономерностях термоактивационного процесса накопления элементарных дефектов (микроразрывов и микросдвигов) под действием приложенных напряжений. На рисунке 6 видно, что в области «критической влажности супер-микропор» под действием внутренних напряжений, вызванных десорбцией влаги супермикропор, происходит локальное волнообразное изменение хрупко-пластического состояния, т.е. материал становится хрупким.
Именно в области «критической влажности супермикропор» показатель удароопасности пласта В превышает 70 %-ный барьер вследствие изменения механических свойств угля во время сушки (рисунок 6). Это значит, что уголь становится потенциально опасным по горным ударам.
Для практической оценки удароопасных ситуаций можно пользоваться не энергетическими критериями, а градиентом напряжения. Естественно, чем больше градиент напряжений, тем выше вероятность возникновения горного удара. Известный ученый, доктор технических наук, профессор Мурашев В.И. заложил этот принцип в основу расчетного метода определения показателя удароопасности О, который находится из выражения [5]:
_ К,уН-о3
Оу=—-(4)
\L-Xcp
где К- коэффициент концентрации напряжений; уН- напряжения на глубине Н, МПа; а- напряжения на линии забоя, МПа; ¡¡- масштабный коэффициент (в данном случае ¡л =1); х - расстояние от забоя до зоны максимальных напряжений, м.
ср
Были проведены расчеты показателя удароопасности О при характерных значениях горно-геологических и горнотехнических условий разработки полезного ископаемого. Результаты расчета показателя удароопасности Оу по данной методике представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Показатели удароопасности Оу и удароопасности в области «критической влажности супермикропор» О . , для различных марок угля
у(критич.) '
Марка угля Шахта, пласт ¥с1а/, % Ж, % / Оу /критич Оу (критич.)
Д «Октябрьская», Надбайкамский 43 6,74 0,49 2,32 0,53 2,71
Г «Полысаевская», Толмачевский 42,3 1,04 0,51 2,51 0,71 5,43
гж «Им. 7 Ноября», Надбайкамский 41,8 2,95 0,38 1,52 0,43 1,84
ко «Распадская-Коксовая», \У-У 23,9 1,39 0,34 1,30 0,44 1,91
КС «Владимировская», Владимировский 21,9 1,36 0,27 0,99 0,34 1,30
сс Разрез «Кедровский» 18 1,47 1.2 36,13 1,7 249,63
Из таблицы 2 следует, что при изменении влагосодержания угля любой стадии метаморфизма до области «критической влажности супермикропор» повышается показатель удароопасности Оу из-за изменения прочностных и деформационных свойств пласта вследствие десорбции (выхода) влаги из супермикропор каменного угля.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ворошилов, А.С. Моделирование изменения объема каменных углей в зависимости от их влагосодержания /А.С. Ворошилов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2010.-№1. -С. 88-91.
2. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния микропористого адсорбента при различных влажностях / М.С.Сазонов [и др.] // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2010. -№2. -С. 72-79.
3. Сазонов, М.С. Исследование физико-механических характеристик каменных углей при различных влажностях воздуха /М.С. Сазонов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2010.-№1. -С. 41-48.
4. Агроскин, A.A. Физика угля /А.А. Агроскин. - М.: Недра, 1965. - 352 с.
5. Вылегжанин, В.Н. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов / В.Н. Вылегжанин, П.В.Егоров, В.И. Мурашев. - Новосибирск: Наука, 1990. - 160 с.
DIFFERENT STAGE METAMORPHISM COAL OUTBURST DANGER Сазонов Михаил Сергеевич
FACTOR DEPENDENCE STUDY ON COAL MOISTERE CONTENT IN e-mail: [email protected]
THE PROCESS OF IT'S DRYING
M.S. Sazonov, Ya.S. Voroshilov Ворошилов Ярослав Сергеевич
Moisture desorption from coal influence on strength and deformation e-mail:Yaroslav.voroshilov@
properties of different metamorphism coals study results are described. gmail.com
Dependence between coal seam outburst danger and moisture content of
coal in drying process is determined.
Key words: OUTBURST DANGER, STRENGTH PROPERTIES,
DEFORMATION PROPERTIES, MOISTURE CONTENT, MICRO- AND
SUPERMICROPORES
131
