УДК 622.333:541.1:543.812

М.С. Сазонов (аспирант ООО «ВостЭКО»)

Казанцев В.Г. (д.т.н., заведующий кафедрой ”Бийского технологического института” (филиал) “АлтГТУ им. И.И. Ползунова”)

Ворошилов Я.С. (к.т.н., зам. директора ООО ”Горный Цот”)

Исследование прочностных и деформационных свойств

каменных углей с различным влагосодержанием

____________________________________________________________________________________

Приведены результаты исследования прочностных и деформационных характеристик углей при различном влагосодержании, которые помогли объяснить и предсказать процессы и изменения в свойствах каменных углей, вызванные перераспределением влаги в микропористой структуре во время изотермической сушки угля.

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

____________________________________________________________________________________

Как известно, наличие влаги и ее количество в угле неоднозначно влияет на физико-механические 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 влагосодержания с локальным увеличением его значения в области критической влажности супермикропор. В то же время было сделано предположение, что в этой области имеются также и аномальные отклонения других физико-механических характеристик.

Влагосодержание материала – содержание жидкости, отнесенной к единице массы сухого материала. Влагосодержание угля в области гигроскопического состояния материала можно регулировать при помощи заданной внешней влажности воздуха.

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 осушением через атмосферу.

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

Как было показано в работе [6], на стадии изменения влагосодержания угля при заданных внешних влажностях воздуха φ от 0,5 до 0,2 высвобождается влага супермикропор. Это область критической влажности супермикропор.

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

Рисунок 1 – График зависимости предела прочности при сжатии s_сж от влажности воздуха φ (крестами обозначен доверительный интервал для каждой точки)

Рисунок 2 – График зависимости предела прочности при растяжении s_р от влажности воздуха φ (крестами обозначен доверительный интервал для каждой точки)

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 влажности супермикропор внутри пористой структуры угля наблюдается напряженность, вызванная выходом влаги из супермикропор.

Исследования углей показали, что их хрупко-пластические свойства зависят 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 20% соответственно.

Рисунок 3 – График зависимости коэффициента хрупкости К_хр от влажности воздуха φ (крестами обозначен доверительный интервал для каждой точки)

Рисунок 4 – График зависимости коэффициента дробимости К_др от влажности воздуха φ (крестами обозначен доверительный интервал для каждой точки)

Модуль деформаций и модуль упругости снижают свои значения в области критической влажности супермикропор в среднем на 25 и 30% соответственно (рисунок 7, 8).

Рисунок 7 – График зависимости модуля деформаций E_д от влажности воздуха φ (крестами обозначен доверительный интервал для каждой точки)

Рисунок 8 – График зависимости модуля упругости Е_упр от влажности воздуха φ (крестами обозначен доверительный интервал для каждой точки)

Что же касается коэффициента поперечной деформации горной породы и коэффициента Пуассона, то изменение их значений пока не совсем ясны (рисунки 9, 10). 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.

Рисунок 9 – График зависимости коэффициента поперечной деформации ν

от влажности воздуха φ (крестами обозначен доверительный интервал для каждой точки)

Рисунок 10 – График зависимости коэффициента Пуассона m от влажности воздуха φ (крестами обозначен доверительный интервал для каждой точки)

В работе [9] показан учет эффектов локального ”схлопывания” и разрушения пор под действием внешней нагрузки, что ведет к быстрому упрочнению среды, которое предшествует разрушению. Здесь 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).

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

Согласно результатам данной работы: изменению прочностных и деформационных характеристик углей при различном влагосодержании,- сделано предположение об аномальных изменениях свойств других горных пород, имеющих схожую микро- и супермикропористую структуру.

Таким образом, в результате проведенных исследований:

1. Впервые показано, что в момент критической влажности супермикропор значения предела прочности на сжатие увеличиваются, прочности на разрыв – снижаются, хрупкость увеличивается, коэффициент дробимости увеличивается, модули деформаций, упругости снижаются, коэффициент поперечной деформации и коэффициент Пуассона - увеличиваются.

2. 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 // Лiтасфера/Lithosphere. -1995. -№ 3. -С. 134-139.

9 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

Сазонов Михаил Сергеевич

E-mail: jajabingsms@gmail.com