Исследование физико-механических характеристик каменных углей при различных влажностях воздуха

УДК 622.333:541.1:543.812

М.С. Сазонов

Исследование физико-механических характеристик каменных углей при различных влажностях воздуха

Приведены результаты исследования прочностных и деформационных характеристик углей при различных влажностях воздуха, которые помогли объяснить и предсказать процессы и изменения в свойствах каменных углей, вызванные перераспределением влаги в микропористой структуре во время изменения влажности воздуха.

Ключевые слова: ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА, ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА, ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ, МИКРО- И СУПЕРМИКРОПОРЫ

Как известно, наличие влаги и ее количество в угле неоднозначно влияет на физикомеханические свойства угля. В ИГД им. А.А. Скочинского были проведены исследования влияния влаги на свойства угля, которые показали, что увеличение влагосодержания угля значительно снижает его прочность и увеличивает пластичность [1]. В работе [2] была показана нелинейная зависимость показателя дробимости угля от внешней влажности воздуха с локальным увеличением его значения в области «критической влажности». В то же время было сделано предположение, что в этой области имеются также и аномальные отклонения других физико-механических характеристик.

Количество, объем и структура пор значительно влияют на механические свойства углей. Поры являются каналами для движения воды в угле. На поверхности пор активно развивается взаимодействие воды с парами газовоздушной смеси различной влажности с помощью диффузии.

Влагосодержание - это такое количество равновесной влаги в единице массы угля, которое получается при заданной внешней влажности воздуха. Иными словами, меняя влажность воздуха, можно регулировать содержание в угле свободной воды - влагодержание угля.

Для оценки воздействия влаги на свойства каменных углей были выполнены экспериментальные исследования в лаборатории по определению физико-механических характеристик угля. Испытания проводились в эксикаторах с серной кислотой с увлажнением через атмосферу.

В данных образцах определялись прочностные и деформационные характеристики каменных углей стандартными способами [3,4,5] при различной влажности воздуха.

Как было показано в работе [6], на стадии изменения влагосодержания угля при заданных внешних влажностях воздуха от 50 до 20% высвобождается влага супермикропор. Назовем эту область «критической влажностью». На этом отрезке влажности начинают резко меняться физикомеханические свойства угля.

Наши результаты исследований влияния влаги на прочностные свойства углей показывают, что предел прочности при сжатии в зависимости от влажности изменяется нелинейно. В области «критической влажности» [7] наблюдается локальный рост в среднем на 42% (рисунок 1), в то время как предел прочности при растяжении снижается на 34% (рисунок 2).

35.»

МПа

О 20 40 60 80 100 % 120

-------

Рисунок 1 - График зависимости предела прочности асж при сжатии от влажности воздуха Ж Ъов

МПа

2.5-0

О 20 10 6(1 10 1№ % 124

УУ --------------------------

Рисунок 2 - График зависимости предела прочности при растяжении ар от влажности воздуха Ж Объяснить это можно тем, что максимальным сопротивлением на сжатие и минимальным сопротивлением на разрыв обладают породы со значительными внутренними напряжениями, что подтверждается работами других авторов [8]. Значит, при значениях «критической влажности» воздуха внутри пористой структуры наблюдается сложное напряженно-деформированное состояние с максимальными внутренними напряжениями, вызванное выходом влаги из супермикропор, то есть изменением влагосодержания угля.

Исследования углей показали, что их хрупко-пластические свойства зависят не только от минерального состава горных пород (жестких включений) и их степени метаморфизма (содержания С), но и от влагосодержания (внутренних напряжений).

На рисунках 3 и 4 хорошо видно, что в области «критической влажности» значения критерия хрупкости и коэффициента дробимости [2] значительно увеличиваются - на 105 и 30% соответственно.

35.00

30.00

25.00

20.00 К*Р 15,00

10,00 5,00

О 20 40 60 80 100 % 120

\Л/ -----------------

Рисунок 3 - График зависимости коэффициента хрупкости Кхр от влажности воздуха Ж

Рисунок 4 - График зависимости коэффициента дробимости Кдр от влажности воздуха Ж

В работе [9] показано, что хрупко-пластические свойства зависят от степени углефикации, следовательно, для хрупких углей изменения будут еще более значительными.

Изменение хрупко-пластических свойств увеличивает вероятность возникновения горного удара и выбросов.

Компоненты паспорта прочности - коэффициент внутреннего трения и предельное сопротивление сдвигу также увеличивают свои значения именно в области «критической влажности» на 45 и 12% соответственно (рисунки 5 и 6).

Рисунок 6 - График зависимости предельного сопротивления сдвигу С от влажности воздуха Ж

Модуль деформаций и модуль упругости снижают свои значения в области «критической влажности» в среднем на 25 и 30% соответственно (рисунки 7 и 8).

Рисунок 7 - График зависимости модуля деформаций Ед от влажности воздуха Ж

Рисунок 8 - График зависимости модуля упругости Е от влажности воздуха Ж

Что же касается коэффициента поперечной деформации горной породы и коэффициента Пуассона, то изменение их значений пока не совсем ясно. На рисунках 9 и 10 представлены относительные изменения этих величин.

/ \ А

у

1

4 V  / \ Л

У / N. .

1 / ♦ N \ ♦

20 40 60 80 100 % 120

\А/ -----------

Рисунок 9 - График зависимости коэффициента поперечной деформации V

от влажности воздуха Ж

Рисунок 10 - График зависимости коэффициента Пуассона д от влажности воздуха Ж

Есть предположение, что это происходит вследствие развития деструктивных процессов, что приводит к раскрытию и генерации микротрещин, дефектов, дислокаций в направлениях, перпендикулярных приложенной нагрузке, т.е. в стороны.

В работе [10] показан учет эффектов локального схлопывания и разрушения пор под действием внешней нагрузки, что ведет к быстрому упрочнению среды, которое предшествует разрушению. У нас же иная ситуация: изменение влагосодержания угля приводит к внутренней напряженности. Но увеличение анизотропии пор, которое наблюдается при «критической влажности», связано в большей степени с генерацией микродефектов и в меньшей степени с изменением размеров микропор (выгибанием стенок). Также косвенно подтверждена генерация микрообъемов при «критической влажности», что хорошо согласуется с изменениями модуля сдвига образцов в области «критической влажности» - снижение на 70% (рисунок 11).

Рисунок 11 - График зависимости модуля сдвига G от влажности воздуха Ж

Основной фактор, влияющий на все это - изменение влагосодержания угля.

Результаты исследования физико-механических характеристик каменных углей при различных влажностях воздуха помогли объяснить и предсказать процессы и перемены в свойствах каменных углей, вызванные перераспределением влаги в микропористой структуре во время изменения влажности воздуха.

Согласно результатам данной работы сделано предположение об аномальных изменениях свойств других горных пород, имеющих схожую микро- и супермикропористую структуру.

Таким образом, в результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1 Впервые установлена нелинейная зависимость изменения физико-механических характеристик каменных углей от их влагосодержания.

2 Показано, что в момент «критической влажности» значения предела прочности на сжатие увеличиваются, прочности на разрыв - снижаются, хрупкость увеличивается, коэффициент дро-бимости увеличивается, угол внутреннего трения увеличивается, предельное сопротивление сдвигу увеличивается, модули деформаций, упругости, сдвига снижаются, коэффициент поперечной деформации и коэффициент Пуассона - увеличиваются.

3 Результаты данных исследований имеют большую практическую значимость, так как существующие методы определения физико-механических свойств горных пород не учитывают наличия внутренних напряжений, вызванных изменением влагосодержания каменных углей, в то время как от степени внутренней напряженности горных пород зависят многие физические свойства.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Ильницкая, Е.И. Свойства горных пород и методы их определения / Е.И. Ильницкая, Р.И. Тедер. -М :Недра, 1969. - 209 с.

2 Ворошилов, А.С. Зависимость показателя дробимости каменных углей от влагосодержания / А.С. Ворошилов, М.С. Сазонов, К.С. Лебедев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -2010. - №1. -С. 99-102.

3 ГОСТ 21153.2-84. Методы определения предела прочности при сжатии.

4 ГОСТ 21153.3-85. Методы определения предела прочности при растяжении.

5 ГОСТ 28985-91. Метод определения деформационных характеристик при одноосном

сжатии.

6 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.

7 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.

8 Ковдерко, В.Э. О природе внутренних напряжений в горных породах / В.Э. Ковдерко // Л^асфера/иШоэрИеге. -1995. -№ 3. -С. 134-139.

9 Ищук, И.Г. Хрупкопластические свойства углей различной степени углефикации / И.Г. Ищук, С.Е. Чирков // Гидравлическая добыча угля. - 1966. - №3. -С. 98-99.

10 Авдеенко, А.М. Мезомеханика деформации пористых структур / А.М. Авдеенко, А.С. Мельниченко, В.Б. Филиппова // Физическая мезомеханика. -2003. -Т.6. - № 5. - С.5-10.

RESEARCH OF PHYSI COMECHANICAL PROPERTIES OF COALS AT DIFFERENT AIR MOISTURE

M.S. Sazonov

Research results of strength and deformation coal properties at different air moisture are described, and they helped to explain and forecast the processes and changes of coal properties, which are caused by redistribution of moisture in micro porous structure when air moisture is changing.

Key words: STRENGTH PROPERTIES, DEFORMATION PROPERTIES, MOISTURE CONTENT, MICRO-AND SUPERMICRO PORES

Сазонов Михаил Сергеевич E-mail: jajabingsms@gmail.com