О возможности оценки окисленности угля по акустической эмиссии, стимулированной в нём термоударным воздействием Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

© Е.А. Новиков, В.Л. Шкуратник, С.А. Эпштсйн, В.Г. Нсстсрова, Н.Н. Добрякова, 2013

УДК 622.(333+332):534.6:542.943

Е.А. Новиков, В.П. Шкуратник, С.А. Эпштейн, В.Г. Нестерова, Н.Н. Добрякова

О ВОЗМОЖНОСТИ ОЦЕНКИ ОКИСЛЕННОСТИ УГЛЯ ПО АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ, СТИМУЛИРОВАННОЙ В НЁМ ТЕРМОУДАРНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ*

Приводятся и обсуждаются результаты экспериментального исследования влияния окисленности образцов угля на характеристики акустической эмиссии, возникающей в них под влиянием быстрого соответствующего термоударному режиму нагревания. Указанные результаты сопоставляются с оценками окисленности, полученными известными физико-химическими методами.

Ключевые слова: термостимулированная акустическая эмиссия, уголь, образец, окисленность, термоудар.

Одним из базовых свойств ископаемых углей, во многом определяющих их качество, способ добычи, транспортирования, хранения является степень окисленности. Достаточно отметить, что окислен-ность оказывает существенное влияние на интенсивность процессов самонагревания углей, следствием которых может стать возникновение подземных пожаров, значительно усложняющих условия ведения горных работ. Потребительская ценность окисленных углей также заметно снижается из-за частичной потери ими калорийности, спекаемости и т.д.. Те же процессы справедливы для хранения углей.

Как правило, процессы, протекающие при добыче и хранении углей не приводят к достаточно глубоким физико-химическим превращениям в последних. В тоже время большинство существующих методов диагностирования окисленности разработано

для углей, окислявшихся в течении длительного, даже по геологическим меркам, времени, что приводит к существенной трансформации структуры органической массы углей и инициирует объемную нарушенность вплоть до полного разрушения. Из-за этого результаты, получаемые с помощью этих методов для начальных стадий окисления углей под воздействием техногенных факторов не всегда адекватны.

При этом максимально достоверная информация об окисленности углей необходима для выбора оптимальных условий их хранения и транспортирования, подбора мероприятий по профилактике самовозгораний.

В настоящее время указанную информацию в основном получают с помощью оптической микроскопии образцов углей в отраженном свете [1].

Этот метод достаточно надежен и информативен для углей сильной сте-

*Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, Соглашение №14.В37.21.0655.

пени окисленности, однако плохо воспроизводим для начальных стадий окисления.

Другим недостатком рассматриваемого метода является необходимость перевода всей пробы в измельченное состояние (менее 1 мм), т.е. нарушения её исходной поврежденности. При этом окисленность тесно взаимосвязана с поврежденностью структуры угля, т.е. нарушение исходного состояния последней может исказить результаты такого контроля и тем самым снизить его достоверность. Кроме того требуемый способ подготовки проб достаточно трудоемок, что снижает технологичность метода. Кроме того исследовать методом оптической микроскопии возможно только определенный участок поверхности пробы, но не весь её объем, что также негативно сказывается на информативности.

Известно [2], что процессы окисления углей приводят к изменениям параметров их трещиновато-пористой структуры (степени нарушенности), физико-механических и физико-химических свойств. Имеются примеры успешного отслеживания указанных изменений в горных породах [3, 4] методом термостимулированной акустической эмиссии (ТАЭ). Главным преимуществом этого метода является его высокая технологичность, кроме того он позволяет получать интегральную характеристику всего объема объекта исследования, а не только его поверхности. В дополнению к этому подготовка проб для исследований предлагаемым методом позволяет сохранить их исходную повреж-денность, что повышает достоверность такого контроля по сравнению с оптической микроскопией.

Отмеченное обосновывает целесообразность адаптации метода ТАЭ для решения задачи определения сте-

пени окисленности углей. С учетом изложенного, в настоящей работе рассматриваются результаты экспериментальных исследований, направленных на установление различий характера ТАЭ для окисленных и не-окисленных углей.

Методическое и аппаратурное обеспечение термоакустоэмиссион-ных измерений

Для проведения исследований использовалась лабораторная установка, внешний вид термического модуля которой показан на рис. 1 а. Нагревательный элемент 6 крепится на образце как это показано на рис. 1 б, где также приведено рассчитанное методом конечных элементов и подтвержденное инструментальными замерами распределение температурного поля в плоскости центрального сечения образца 3 геоматериала, перпендикулярной его верхней 1 и нижней 2 торцевым поверхностям.

На указанных поверхностях соос-но закрепляют помещенные в специальные защитные кожухи приемные акустические преобразователи 4 и 5. На боковой поверхности образца по его периметру размещают электропроводный нагревательный элемент 6, выполненный в виде четырех медных пластин, на которые с помощью управляемого источника 7 питания подают напряжение достаточное для нагрева локальной области 8 образца до температуры Т=130±3 оС. При этом постоянство температуры нагревательного элемента обеспечивается с помощью контура управления, включающего термопару и контроллер 9, подключенный к управляющему входу источника питания.

Возникающие АЭ сигналы регистрируются с помощью акустико-изме-рительной системы 10 (A-Line 32D), которая принимает и усиливает эти сигналы в полосе 30-500 кГц, оциф-

■ /

иг и> п

¡А и ц с

п г □ р □

J J Ь - и г с

1—1 1" 1—1

Т.'С 130

120

НО

105 100 95 90 (5 ВО 75 70

Рис. 1. Внешний вид (а) и блок схема (б) модуля локального термического нагру-ження образца геоматериала с нанесенным на него распределением температур в центральном перпендикулярном торцевым поверхностям сечении

ровывает их с частотой дискретизации 2 МГц и записывает на диск компьютера.

Объектом исследования был каменный уголь пласта 7-7а ОАО «Рас-падская», расположенной в 11 км севернее Междуреченска (Кузнецкий бассейн).

Использовали пластовые пробы угля, отобранные в соответствии с требованиями ГОСТ 9815-75, из которых были изготовлены 8 образцов имеющих форму призм примерно одинакового объема с длиной ребер около 25 мм. Для создания допустимых контактных условий с нагревательными элементами и приемными преобразователями АЭ, на каждом образце путем сухой шлифовки были подготовлены четыре гладкие поверхности. Половина этих образцов была принудительно окислена посредством низкотемпературной обработки (НТО) в паро-воздушной среде. Образцы помещали в термостат и выдерживали в нем при Т=130±10 °С в

течение 24 часов. Для активизации процессов окисления в термостат помещали фарфоровую емкость, содержащую 100 мл дистиллированной воды, которая по мере испарения доливалась до установленного объема.

Таким образом, были получены две равные выборки образцов: не окисленные I и окисленные II угли. Последние представляли собой физическую модель угля подвергшегося относительно быстропротекающему окислению, вызванному техногенными факторами.

В ходе испытаний методом ТАЭ все образцы подвергались термоудару, при которым нагрев образца через его поверхность по периметру проходил со скоростью 30 оС/мин. от 25 оС до 130 оС. При этой температуре каждый образец выдерживали до установления между ним и окружающей средой термического равновесия, при котором приток тепловой энергии в образец и её отток в окружающую среду сравниваются и гене-

а (выборка I) AL имп./с

N.

1 II [ II 1 1

У1 \ il ill lim INI ,¡111 1Ш1 1 HI 1 1 III ill 11 1 1

О 200 : (выборка II)

400

600 t* 800

1000

1200

14

800 600 400 200 О

00

t,c

Рис. 2. Зависимость активности и суммарного счета N АЭ в функции от времени нагрева образцов окисленного б и не окисленного а каменного угля

рация сигналов АЭ прекращается. Момент времени 1*, соответствующий этому состоянию, виден по выпола-живанию кривой, описывающей зависимость суммарного счета N сигналов ТАЭ от времени (см. рис. 2). Параллельно с термическим воздействием производили регистрацию параметров ТАЭ. В качестве информативного параметра принята средняя активность N1 ТАЭ за время активного нагрева

образца (область А). Чтобы нивелировать влияние имевшейся неоднородности размеров образцов выборки (не более 10 % от среднего) для сопоставления результатов их испытаний использовался такой параметр как удельная активность ТАЭ -среднее число сигналов принятых с каждого грамма образца за активный период эксперимента. Вес образцов

определялся с помощью лабораторных весов Digitalwaagen 303 863 / 326 729.

Результаты экспериментов и их обсуждение

Аналитическое рассмотрение результатов испытаний показало, что термоакустограммы, полученные в рамках каждой группы образцов, по основным своим характеристикам достаточно близки между собой. Поэтому на рис. 2 приводятся не все, а лишь характерные результаты испытания одного из образцов каменного угля каждой из выделенных групп: не окисленные а и окисленные б угли.

Как видно из рис. 2, образцы с высокой степенью окисленности имеют значительно большую амплитуду экстремума N в области А. Численно это выражается в том, что среднее значение N^ выборки I составило

Таблица 1

Средний показатель удельной трешиноватости углей

Наименование показателя Исходный (до НТО) После НТО

Удельная трещиноватость Т, ед/мм2 64,5 76,3

а) штрихообразные трешины б) магистральная трешина

Рис. 3. Микрофотографии аншлиф-кусков неокисленного угля

0,019 имп./с, а выборки II - 0,160 имп./с, т.е. разница практически на порядок.

Для корректной интерпретации полученных результатов ТАЭ испытаний проведено исследование трещиновато-пористой структуры использованных в них образов угля, т.к. последняя является косвенным показателем окисленности и определяется скоростью и глубиной процессов термической деструкции и конденсации. Это исследование проводили путем подсчета удельной трещиновато-сти Т (мм-2) на предварительно шлифованных и полированных поверхностях по методике, разработанной и опробованной в [5]. Полученные значения средних показателей удельной трещи-новатости представлены в табл. 1.

Из рассмотрения данных табл. 1 следует, что НТО приводит к незначительному увеличению удельной трещиноватости, однако при этом изменяется ее характер. Действительно на рис. 3 отчетливо видно, что исходный образец характеризуется двумя наиболее ярко выраженными ти-

пами трещин - магистральными и штрихообразными. Раскрытие магистральных трещин происходит на ширину от 10 до 50 мкм, минерализация трещин отсутствует. Магистральные трещины проходят через витринит и фюзинит, что предполагает их внешнее происхождение. При этом магистральные трещины имеют слабораз-ветвлённую структуру. Ориентация магистральных трещин - перпендикулярно и параллельно плоскости пластования. Также присутствуют короткие штрихообразные трещины длиной от 100 до 500 мкм. Штрихообразные трещины расположены в основном на границе витринита и фюзинита, хотя встречаются и только на витрините. При этом штрихообрразные трещины ориентированы перпендикулярно плоскости пластования.

В свою очередь НТО (рис. 4) приводит к количественному и качественному изменению трещиноватости. Морфологически трещины в самом общем случае можно разделить на три типа: магистральные, штрихообразные и

Таблица 2

Выход летучих продуктов из исходного и окисленного угля

Наименование показателя Исходный (до НТО) После НТО

Выход летучих продуктов, Уйа', % 34,66 ± 0,07 37,11 ± 0,11

Рис.4. Микрофотография аншлиф-куска углей после НТО

нитевидные. Магистральные трещины встречаются редко, они достаточно тонкие (раскрытие от 5 до 10 мкм), при этом от них отходят нитевидные трещины, которые простираются на обширную часть поверхности образца и имеют большое количество ответвлений по всей длине.

Форма штрихообразных трещин изменяется в сторону увеличения ширины. Трещины на образце после НТО также не содержат минеральных включений.

Полученные данные о влиянии НТО на характер трещиноватости исследованных образцов угля позволяют сделать предположение, что НТО приводит к увеличению дефектности структуры указанных образцов, а это снижает порог температуры возникновения значимой акустической эмиссии в ходе термического нагружения.

При этом увеличение дефектности угольного вещества после термоокислительной обработки связано с процессами окисления, которые, как известно [2], приводят к образованию в структуре углей кислородсодержащих

фрагментов. Внедрение в структуру угля кислорода приводит к инициированию процессов термической деструкции. Это хорошо согласуется с результатами определения выхода летучих продуктов из исходного и тер-моокисленного угля (табл. 2). Принято считать, что показатель выхода летучих продуктов по ГОСТ 6382-2001 (потеря массы углем при высокотемпературной выдержке при 900 оС в течение 7 мин.) условно отражает термостойкость углей.

Приведенные в табл. 2 данные указывают на то, что НТО при заданных условиях приводит к значительному повышению выхода летучих продуктов. Это доказывает, что у исследованных углей после НТО, из-за их окисления, снизилась термостойкость, т.е. значимая ТАЭ стала возникать при меньших термических напряжениях, нежели в случае не окисленных углей, что и обусловило меньший уровень ТАЭ у последних.

Выводы

Приведённые результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о наличии устойчивой взаимосвязи информативных параметров термоакустической эмиссии угля, возникающей в нём в результате теплового термоударного воздействия, с одной стороны, и степенью его окис-ленности - с другой. Указанная взаимосвязь создаёт предпосылки для создания принципиально нового метода количественной оценки окисленности углей на основе ТАЭ. Очевидное преимущество этого метода заключаются в том, что он должен обеспечить получение искомой информации об

окисленности не только поверхностных областей исследуемого образца, но и всего его объёма. Кроме того, в отличие от известных физико-химических методов оценки окислен-

ности углей, метод на основе ТАЭ обладает всеми предпосылками для реализации соответствующего контроля с минимальными затратами и в режиме экспресс-анализа.

1. ГОСТ 8930-94 «Угли каменные. Метод определения окисленности» // Hard coals. Method for determination of oxidation / Принят 01.01.1996 г.

2. Кухаренко Т. А. Химия и генезис ископаемых углей // ГОСГОРТЕХИЗДАТ.-М.,1960., с.152-181.

3. Shkuratnik V.L., Novikov E.A. Correlation of thermally induced acoustic emission and ultimate compression strength in hard rocks // Journal of Mining Science,

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

July 2012, Volume 48, Issue 4, pp 629635.

4. Новиков Е.А. Современное состояние исследований в области термоакустической эмиссии геоматериалов (обзор) // ГИАБ, 2012, №5, С. 394-401

5. Нестерова В.Г. Разработка методов определения признаков окисления углей на ранних стадиях их эндогенного самовозгорания // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук,- М., 2011. ШИН

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Новиков Евгений Александрович - аспирант кафедры ФТКП, [email protected], Шкуратник Владимир Лазаревия - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой ФТКП, [email protected],

Эпштейн Светлана Абрамовна - доктор технических наук, заведующая НУИЁ «Физико-химии углей», [email protected],

Нестерова Валерия Георгиевна - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры физики, [email protected],

Добрякова Надежда Николаевна - аспирант кафедры физики, [email protected], Московский государственный горный университет, [email protected]

А

- РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»

ТЕМПЕРАТУРА КАК ФУНКЦИЯ ЧАСТОТЫ

(№ 973/08-13 от 05.06.13, 9 с.)

Волошиновский Кирилл Иванович — ассистент кафедры AT, [email protected], Московский государственный горный университет

TEMPERATURE AS FREQUENCY FUNCTION

Voloshinovskiy Kirill Ivanovich