Визначення особливостей процесу утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Поглиблення гірничих робіт призвело до суттєвого погіршення умов вуглевидобутку. З певної глибини зростає кількість вкрай небезпечних динамічних явищ, у тому числі раптового руйнування з подрібненням значних об'ємів вугілля та породи до рівня 10 мікрон і менше. Робіт, присвячених вивченню природи, механізмів виникнення та особливостей ходу таких явищ, майже немає. Проте такі дані конче необхідні. Одним із перевірених у практиці гірництва способом отримання даних про динаміку руйнування твердих тіл є фізичне моделювання цього процесу на лабораторному пресовому обладнанні. З появою сучасної аналого-цифрової апаратури і можливістю комп'ютерної обробки отриманих даних точність та достовірність результатів фізичного моделювання суттєво підвищилась. Тобто з'явилась реальна можливість вивчати процеси руйнування при розвитку їх в динамічних режимах та поглибити знання щодо процесу раптового переходу тіла із цілісного в зруйнований до рівня тонкодисперсних фракцій стан, у тому числі при динамічному розвантаженні. Тому визначення на базі цих досліджень механізму динамічного руйнування вугілля у гранично напруженому стані при розвантаженны та визначення особливостей процесу утворення тонкодисперсних фракцій вугілля, що дозволяє використати їх для упередження цього явища, є актуальною науковою задачею, що має важливе наукове та практичне значення для підвищення рівня безпеки при підземному вуглевидобутку.

Мета й завдання роботи. Мета роботи - розробити метод і визначити особливості процесу утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні у гранично напруженому стані при розвантаженні для розробки комплексу сучасних засобів лабораторного дослідження і методу визначення фізико-механічних характеристик вугілля викидонебезпечних пластів.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішені наступні завдання:

- розробити метод фізичного моделювання і комплекс сучасних засобів лабораторного дослідження особливостей процесу утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні у гранично напруженому стані під час розвантаження та розрахувати ефективність їх застосування;

- визначити механізм динамічного руйнування гранично напруженого вугілля при його розвантаженні з утворенням тонкодисперсних фракцій й розробити критерій що характеризує його початок;

- визначити за допомогою розроблених методу фізичного моделювання і комплексу сучасних засобів лабораторного дослідження особливості процесу утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при динамічному руйнуванні за радіально-пошаровим механізмом.

Об'єкт дослідження - процес утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні під час розвантаження у гранично напруженому стані.

Предмет дослідження - особливості процесу утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні під час розвантаження у гранично напруженому стані.

Методи дослідження. У роботі застосований комплекс теоретичних і лабораторних методів дослідження. Зокрема: фізичне моделювання динамічного руйнування гранично напруженого вугілля під час утворення його тонкодисперсних фракцій при розвантаженні, методи математичного аналізу, математичної статистики при аналізі результатів фізичного моделювання. При визначенні особливостей процесу утворення тонкодисперсних фракцій вугілля, при його динамічному руйнуванні під час розвантаження, використаний метод лабораторного визначення параметрів, а також зіставлення результатів з теоретичними і шахтними дослідженнями.

Наукові положення, які виносяться на захист:

У виконаній роботі автором запропоновані наступні наукові положення:

1. Радіально-пошарове динамічне руйнування гранично напруженого вугілля з утворенням тонкодисперсних фракцій відбувається, якщо відношення прискорення до попередньої швидкості його розвантаження дорівнює (4-3,5) с-1, (3,5-20) с-1 та (20-34) с-1 при відповідних усереднених значеннях осьового стиснення (114-190) МПа, (190-280) Мпа та (280-300) МПа, причому в зазначених діапазонах залежність між відношенням прискорення до швидкості і напруженням - лінійна.

2. Коефіцієнт дисипації при розвантаженні чисельно визначає з балансу загальної дисипації у циклі «навантаження-розвантаження» дисипацію при розвантаженні, лінійно зростає в кожному з двох характерних діапазонів від 8 до 12% і від 12 до 60% зі зміною усередненого напруження стиснення відповідно від 100 до 190 МПа і від 190 до 300 МПа.

3. Утворення тонкодисперсних фракцій вугілля у еліпсоподібних зонах, стиснутих з усіх сторін, з найвищим значенням градієнту напружень при розвантаженні, з подальшим їх проривом через краєву частину гранично напруженого вугілля починається, коли питома потужність дисипації при розвантаженні зі швидкістю 10 МПа/с має значення на рівні 0,1 Вт/г в інтервалі усереднених напружень стиснення (100 - 190) МПа, а при більших швидкостях розвантаження зростає в лінійній залежності від їх значень.

1. Аналіз основних методологічних підходів щодо вивчення схильності вугілля до динамічного руйнування при різних способах створення високих напружень у зразках

Вагомий внесок у розробку способів та засобів отримання даних щодо причин виникнення й протікання в часі раптових викидів вугілля, порід та газів внесли фахівці вітчизняних та зарубіжних інститутів - ІГС ім. О.О. Скочинського, МакНДІ, ІГТМ НАН України, ДонВУГІ, ДонНТУ, УкрНДМІ, а також вчені й фахівці гірничого профілю з Німеччини, Чехії, Польщі та інших країн.

Дослідження виконувались на гідрореверсних пресах. Великий стенд для моделювання раптових викидів конструкції В.В. Ходота складається із двох таких пресів, що розвивають разом зусилля 3000 кН і матриці, що дозволяє моделювати гранично напружений стан. Насичені газом вугільні зразки мали довжину 0,6м і товщину до 1,1м. Матриця забезпечена передньою відкидною стінкою, що дозволяє миттєво переводити модель вугільного шару з об'ємного в гранично напружений стан. Встановлено, що перехід від стану всебічного стиснення в гранично-напружений відбувається за час порядку 0,03 с, причому падіння напруження до 90% всієї різниці напружень у двох станах відбувається за час 0,05 с. Показано, що раптові викиди вугілля й газу можуть бути змодельовані тільки при швидкому розвантаженні й сталому фільтраційному потоці газу. У результаті цього відбувається руйнування вугілля, викид його за рахунок накопиченої енергії й різниці тисків газу. Подальший рух вугілля й газу відбувається за рахунок розширення газу й сил інерції самого вугілля. Повільне розвантаження не здатне викликати викид.

У роботах фахівців ІГТМ НАН України, ІФГП НАН України, МакНДІ та багатьох інших установ проаналізовані численні випадки раптових викидів вугілля й газу та зроблений висновок, що основну роль у цьому процесі грає вільний, а не сорбований газ. Моделювання раптових викидів здійснювали шляхом швидкого розвантаження при різних значеннях тензора напружень у вугільних газонасичених зразках. Найбільш достовірні дані отримані при спільному врахуванні параметрів напруженого стану вугілля й тиску газу. Однак в останні роки технічний рівень вимірювальної апаратури й засобів комп'ютеризованої обробки даних суттєво підвищився. У зв'язку з цим механізми раптового руйнування вугілля з утворенням тонкодисперсних фракцій при фізичному моделюванні можна вивчати більш детально, що дозволить розробити методи запобігання цих явищ.

За результатами досліджень раптового руйнування вугілля автором розроблені метод фізичного моделювання утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні і комплекс лабораторного устаткування для дослідження цього явища з використанням сучасного аналогово-цифрового обладнання.

2. Метод фізичного моделювання процесу утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні у гранично напруженому стані при розвантаженні

Основним способом керування покрівлею, який застосовується на шахтах, є повне обвалення, а число викидів вугілля, породи й газів на 1км посування лави при цьому є найбільшим. Цей спосіб є дешевим і простим у порівнянні з іншими способами керування гірським тиском, але найнебезпечнішим судячи з частотою прояву динамічних явищ, як на пологих, так і на крутих пластах.

При нагромадженні над пластом і обваленні потужних шарів порушеною виїмкою покрівлі відбувається зміна напруженого стану крайових частин пласта, у тому числі їх швидке розвантаження - вертикальної складової тензору напружень. Автором запропоновано моделювати гранично напружений стан пласта методом одноосьового стиснення тонкої вугільної пластини. Сам же процес раптового руйнування гранично напруженого вугілля здійснюється при динамічному розвантаженні, що подібно обваленню шарів порід безпосередньої й основної покрівлі.

Якщо скласти відношення відстані ? від вибою до найбільшого значення опорного тиску попереду вибою, до потужності m пласта, то одержимо в середньому значення співвідношення близько 6. Це одне з умов моделювання пружно-пластичних деформацій у пластині між твердими плитами, що відомо з теорії пластичності, де співвідношення ?/m повинне бути більше 3,64. Відношення загальної довжини зони опорного тиску до потужності шару в середньому дорівнює 35/1. Для моделювання умов контакту між вугільним зразком і поверхнями пристрою, що навантажує, дотримані умови геометричної подоби спостережуваним на контакті вугільного пласту з породами, що його вміщають. Для зразка розмірами 4040 мм геометрична подоба по висоті дотримується на рівні 4-5 мм при необхідній шорсткості стискаючих поверхонь, за даними Пєтухова І.М. і Лінькова О.М., рівній 0,012 мм.

Математичне моделювання напруженого стану вугільних зразків вирішувалось методом вирішення крайових завдань за допомогою сіток для диференціальних рівнянь еліптичного типу.

По наступним формулам визначаються показники К1 та К2 зміни градієнта вертикального напруження при розвантаженні з урахуванням особливостей геометрії зразка по осі х та у, відповідно:

; (1)

, (2)

де - вертикальне напруження в i - й точці зразка при навантаженні його силою , МПа; - вертикальне напруження в i - й точці зразка при навантаженні його силою , МПа; - середнє значення вертикального напруження за площею зразка при навантаженні його силою , МПа; - середнє значення вертикального напруження за площею зразка при навантаженні його силою , МПа; , - вертикальне напруження при навантаженні зразка силою в точці Хi+1 та Yi+1, відповідно, МПа; , - вертикальне напруження при навантаженні зразка силою в точці Хi та Yi, відповідно, МПа.

У програмній оболонці вводимо умову для матриць відповідних показникам и , яке дозволяє при порівнянні цих даних виявити їх найбільші значення в цілому за площею зразка (див. рис. 3).

Найбільший градієнт вертикального напруження при розвантаженні в інтервалі значень 40 - 60 МПа/мм знаходиться у чотирьох еліпсоподібних областях навпроти кожної грані зразка. Важливо, що при моделюванні раптового руйнування гранично напружених вугільних зразків при динамічному розвантаженні саме в цих еліпсоподібних областях вугілля руйнується до рівня тонкодисперсних фракцій розміром менше 10 мкм, чого не відбувається при інших видах руйнування, особливо за такий короткий проміжок часу.

Використання даних при розробці методики фізичного моделювання процесу утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні у гранично напруженому стані при розвантаженні, в розділі 1 дозволило, задля подальшого дослідження процесу тонкодисперсного руйнування, розробити комплекс сучасних засобів лабораторного визначення характеристик динамічного руйнування викидонебезпечного вугілля.

3. Дані по розробці критерію, що характеризує момент утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні по радіально-пошаровому механізму при розвантаженні у гранично напруженому стані

Автором запропоновано оцінювати хід динамічного розвантаження зразка за допомогою критерію, формула для розрахунку якого така:

, (3)

де - прискорення розвантаження в інтервалі часу , МПа/с2; - середня швидкість розвантаження в інтервалі часу , МПа/с, які визначаються по формулам:

; , (4)

де , с.

За даними лабораторних експериментів при стабільному значенні =0,033с, була отримана кусочно-лінійна апроксимація мінімальних значень критерію .

(5)

Наприклад, для вугільного зразка у формі пластини, узятого із пласта , шахти ім. О.Ф. Засядько з відношенням ширини до висоти 8/1, характерними є три ділянки зміни.

Встановлено, що на початку тонкодисперсного руйнування вугільного зразка формуються тріщини перпендикулярні його торцям, розповсюдження яких закінчується на межі еліпсоподібних областей, які вирахувані по формулам (1, 2).

У цих областях відбувається утворення тонкодисперсного фракцій вугілля і його динамічний викид від сформованої порожнини на місці еліпсоподібних областей. На межі знову сформованій порожнині утвориться ряд вертикально спрямованих пластин, паралельно нової сформованої межі зразка. Виявлений характер динамічного руйнування пояснює радіально-пошаровий механізм протікання динамічного руйнування вугілля з утворенням тонкодисперсних фракцій. По цьому механізму пояснюється багатостадійне формування порожнини раптового викиду у вугільних пластах у формі груші - доти, доки не відбудеться розсіювання енергії стиснення вугілля в радіальному напрямку по його шару.

4. Результати експериментів по вивченню газовиділення зі зразків вугілля в циклах «навантаження-розвантаження» і «розвантаження-навантаження» при використанні стенда

З механіки гірських порід відомо, що кожна зміна напруженого стану гірської породи призводить до розсіювання енергії в структурі породи, тобто до утворення нових поверхонь і тріщин. Головною особливістю процесу утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні є інтенсивність розсіяння енергії. Розсіяння енергії у часі можна представити у вигляді потужності дисипації у гранично напруженому вугіллі. Знаючи граничні режими розвантаження перед утворенням тонкодисперсних фракцій вугілля можна визначати відповідні інтервали напружень стиснення за критерієм (5) і, відповідно, енергію розсіювання в зразку, що відповідає цим інтервалам і отримати дані про зміну питомої потужності дисипації, без урахування дисипації при навантаженні. Тому для урахування дисипації при навантаженні, тобто визначення балансу дисипації при навантаженні і розвантаженні, були проведені експерименти по зміні газовиділення з газонасичених технічним азотом ідентичних зразків вугілля в циклах «навантаження-розвантаження» і «розвантаження-навантаження».

По наступним формулам вираховується усереднений дебіт газовиділення при навантаженні і розвантаженні різних циклів - отримуємо дані, що виключають чинник часу та зміну ступеню дегазації вугілля в експерименті з часом, тобто фактичне газовиділення, при навантаженні і розвантаженні вугільних зразків:

; (6)

, (7)

де , - усереднене значення дебіту газовиділення при навантаженні в циклах «навантаження-розвантаження» і «розвантаження-навантаження» та розвантаженні в циклах «розвантаження-навантаження» і «навантаження-розвантаження» для i-го значення напружень стиснення, відповідно, умовн. од.; , - значення дебіту газовиділення при навантаженні в циклі «навантаження-розвантаження» і розвантаженні в циклі «розвантаження-навантаження» для i-го значення напружень стиснення, відповідно, умовн. од.; , - значення дебіту газовиділення при навантаженні в циклі «розвантаження-навантаження» і розвантаженні в циклі «навантаження-розвантаження» для i-го значення напружень стиснення, відповідно, умовн. од.

Визначивши усереднені значення дебетів газовиділення при розвантаженні і навантаженні для різних циклів навантаження зразків вугілля можна визначити ступінь відсоткової участі дисипації при розвантаженні у загальному балансі розсіювання енергії - в циклі «навантаження-розвантаження» по формулі:

, (8)

де - коефіцієнт дисипації при розвантаженні, %.

За допомогою критерію (3) та коефіцієнта дисипації (8) при розвантаженні, вираховуємо істинне значення зміни питомої потужності дисипації в результаті якої відбувається утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні по радіально-пошаровому механізму при розвантаженні у гранично напруженому стані.

Результатом роботи є впровадження «Методики физического моделирования динамического разрушения угля за пределами прочности», яка передана для використання Донецькому науково-дослідному вугільному інституту (Акт передачі від 14.11.2007 р.) та «Методики визначення фізико-механічних властивостей викидонебезпечних порід», передана у ДП «Дондіпровуглемаш» (Акт передачі від 17.03.2010 р.). Розрахунковий економічний ефект від впровадження проекту модернізації комплексу пресового обладнання, з використанням сучасної аналого-цифрової апаратури та засобів комп'ютерної обробки отриманих у лабораторних умовах даних, складає 320,9 тис. грн. на один комплект обладнання.

Висновки

вугільний тонкодисперсний фракція еліпсоподібний

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі визначення механізму утворення системи тріщин в гранично напруженому вугіллі, а також утворення тонкодисперсних фракцій вугілля в області еліпсоподібній форми, уточнені умови виникнення явища раптових викидів вугілля через його крайову частину, розроблений на цій основі метод дослідження раптового руйнування гранично напружених вугільних зразків при розвантаженні в динамічному режимі, а також доповнена лабораторна база сучасною аналого-цифровою вимірювальною апаратурою і підвищена на 30 % точність результатів фізичного моделювання раптових руйнувань вугільних зразків, що має важливе наукове значення для розвитку знань в області динаміки виникнення раптових викидів вугілля і безпеки вуглевидобування на викидонебезпечних пластах.

Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи полягають в наступному.

1. Аналіз результатів моделювання раптових викидів і стану системи «вугілля-газ-гірський тиск» показав необхідність визначення додаткового критерію, що характеризує момент ініціювання динамічного руйнування вугілля з утворенням тонкодисперсних фракцій за умови раптової зміни його напруженого стану.

2. Отримані нові уявлення відносно геомеханічних причин виникнення і закономірностей протікання в часі окремих стадій моделі раптового руйнування гранично напруженого вугілля, які полягають в тому, що:

- вперше виявлені ефекти радіально-пошарового тонкодисперсного динамічного руйнування гранично напружених вугільних зразків при їх розвантаженні, які виникають за умов, коли відношення прискорення до попередньої швидкості їх розвантаження знаходиться в діапазоні від 3,5 до 34 с-1 у відповідному інтервалі напружень стиснення від 114 до 300 Мпа;

- встановлена лінійна залежність між відношенням прискорення до попередньої швидкості розвантаження гранично напруженого вугілля і напруженням стиснення при яких моделюється утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні.

3. Коефіцієнт дисипації при розвантаженні в об'ємі вугільного зразка в циклі «навантаження - розвантаження» лінійно зростає з 8 до 12 % і з 12 до 60 % при зміні усередненого напруження стиснення від 100 до 190 мпа і від 190 до 300 Мпа відповідно.

4. Питома потужність дисипації при якій починається процес утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні, зі швидкістю розвантаження 10 МПа/с, має стабільне значення 0,1 Вт/г в інтервалі напружень стиснення 100 - 190 Мпа.

5. Вперше запропонований для визначення моменту руйнування критерій динамічного руйнування гранично напруженого вугілля з утворенням тонкодисперсних фракцій, який визначається відношенням прискорення до попередньої швидкості його розвантаження, при цьому швидкість розвантаження представлена у вигляді зменшення в часі напружень стиснення від певного значення до нуля, а прискорення навантаження - у вигляді зміни швидкості до тієї миті, коли відбуваються викиди тонкодисперсних фракцій вугілля із зразка. Виявлено, що утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні під час розвантаження в гранично напруженому стані аналогічно раптовим викидам з пласта в шахті, яке супроводжується характерними звуковими коливаннями, і свідчать про крихке подрібнення частинок до рівня тонкодисперсних фракцій і тертя пилу по поверхнях внутрішньої порожнини у вугіллі при його викидах з пласта.

6. Виявлено, що питома потужність дисипації по своєму абсолютному значенню відповідає питомій енергії накопиченою кубічними зразками при одноосному стискуванні перед руйнуванням. Тобто питома дисипація при розвантаженні гранично напруженого вугілля за час 0,06 с, що приводить до утворення тонкодисперсних фракцій при динамічному руйнуванні, по своєму рівню відповідає питомій енергії накопиченою, перед руйнуванням, зразками кубічної форми при їх одноосному стисненні для різних фізико-механічних умов експерименту: порушеного або непорушеного вугілля, газонасиченого, не насиченого газом.

7. Встановлено, що тонкодисперсні фракції утворюються в стислих з усіх боків еліпсоподібних зонах - в результаті реалізації потенційної енергії стиснення на подрібнення вугілля і подальшого динамічного прориву тонкодисперсних фракцій вугілля через його краєву частину.

8. Застосування розробленого комплексу сучасних засобів лабораторного визначення характеристик динамічного руйнування вугілля з викидонебезпечних пластів дозволило підвищити на 30 % точність вимірювання і уточнити зв'язок між характеристиками поля напружень стиснення і динамікою розвантаження, які змінюються при утворенні тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні. Розрахунковий економічний ефект від впровадження проекту модернізації комплексу пресового устаткування, сучасною аналого-цифровою апаратурою та засобів комп'ютерної обробки отриманих в лабораторних умовах даних, складає 320,9 тис. грн. на один комплект устаткування.

9. Сформульовані науково-технічні принципи на базі яких розроблена методика фізичного моделювання процесу утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні із застосуванням комплексу сучасного аналого-цифрового устаткування компанії-виробника National Instruments і датчиків переміщення компанії Balluff, та архівації бази даних на електронно-обчислювальній машині для аналізу і узагальнення даних про фізико-механічні властивості вугілля з викидонебезпечних пластів.

10. Результати визначення особливостей утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні під час розвантаження в гранично напруженому стані передані в Донецький вугільний інститут у вигляді «Методики фізичного моделювання динамічного руйнування вугілля за межами міцності» (Акт передачі від 14.11.2007 р.) та «Методики визначення фізико-механічних властивостей викидонебезпечних порід» передана в ДП «Дондіпровуглемаш» (Акт передачі від 17.03.2010 р.).

Література

1. Дякун Р.А. Моделирование формирования динамической области разгрузки в углепородном массиве вокруг движущегося очистного забоя / Р.А. Дякун // Геотехнічна механіка: міжвід. збір. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2006. - Вип. 61. - С. 250-257.

2. Дякун Р.А. Результаты исследований поведения угольных образцов при высоких давлениях / Р.А. Дякун // Геотехнічна механіка: міжвід. збір. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2006. - Вип. 62. - С. 73-84.

3. Кияшко Ю.И. Установление минимальной скорости разгрузки напряженного образца угля, при которой происходит его быстрое разрушение до уровня мелкодисперсной пыли / Ю.И. Кияшко, Р.А. Дякун // Геотехнічна механіка: міжвід. збір. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2006. - Вип. 65. - С. 61-66.

4. Дякун Р.А. О причинах радиально-послойного разрушения предельно напряженного угольного образца при разгрузке / Р.А. Дякун // Геотехнічна механіка: міжвід. збір. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2008. - Вип. 77. - С. 73-82.

5. Дякун Р.А. Петрографические исследования углей, подвергшихся экспериментальному одноосному сжатию / Р.А. Дякун, В.И. Барановский // Геотехнічна механіка: міжвід. збір. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2008. - Вип. 80. - С. 193-197.

Размещено на Allbest.ru