Изменение свойств угля в результате его увлажнения

21.05.2018
Удельная потенциальная энергия деформации при объемном напряженном состоянии материала П может быть найдена из известного в теории упругости выражения

где ox, oy, oz — нормальные напряжения по трем осям координат;

E — модуль упругости горной породы;

u — коэффициент Пуассона.

При наличии однородных пород в условиях всестороннего сжатия упругое состояние нетронутого массива характеризуется выражением

Тогда с учетом выражения (41) формула (40) примет вид:

Из выражения (42) видно, что для определения эффективности применения искусственного увлажнения угля для снижения величины накапливаемой им упругой энергии, а следовательно, для определения эффективности применения нагнетания воды для снижения удароопасности угольного массива, необходимо исследовать влияние увлажнения на его прочность, модуль упругости и коэффициент Пуассона.

С этой целью были изучены пробы угля, набранные в 7 лавах четырех опасных по горным ударам пластов на шахтах им. Крупской, им. Урицкого, им. Калинина и № 6-Капитальная. Всего было изготовлено 179 образцов и проведено 5180 определений.

Пробы отбирались из угольного массива с помощью обушка или отбойного молотка. Испытаниям подвергались образцы угля кубической формы, размером 50х50х50 мм, изготавливаемые с помощью ножовки по металлу, и образцы цилиндрической формы диаметром 30 мм и 58 мм и длиной до 120 мм, выбуриваемые из крупных кусков угля с последующей обрезкой керна на камнерезном станке.

Модуль упругости, коэффициент Пуассона и сопротивление угля сжатию определялись по общепринятым методикам.

Для искусственного увлажнения образцов угля последние погружались в воду на 5 и 30 суток, а также подвергались увлажнению под высоким давлением с помощью насосов ПермНИУИ-10 на специальных стендах отдельно для образцов кубической и цилиндрической формы. При увлажнении под большим давлением гидроразрыв образцов не допускался.

Исследования показали, что увлажнение путем простого погружения образца в воду на небольшой срок (до 5 суток) вызывает незначительное изменение упругих свойств и прочности угля, размеры которых находятся в пределах точности измерений. Погружение же в воду па более длительный период (25—30 суток) вызывает изменение механических свойств угля, мало отличающееся от изменений, полученных в результате увлажнения угля на стендах под большим давлением (до 100 ати).

Обобщенные результаты исследований приведены в табл. 19.

Подставив в выражение (42) изменившиеся в результате увлажнения величины, можно определить их влияние на количество упругой энергии. Из табл. 19 следует, что модуль упругости E в результате увлажнения снижается до значения 0,8 E, осж — до значения 0,74 осж, коэффициент Пуассона u возрастает до значения 1,4 u. С ростом u дробь (1+u)(!-2U)/1-u уменьшается в рассматриваемом случае до 0,53 первоначального значения. Тогда упругая энергия, накопленная увлажненным углем при нагружении его до напряжения, равного 0,74 осж, составит:

Следовательно, величина упругой энергии, накапливаемой углем при его нагружении вплоть до разрушения, в результате увлажнения значительно уменьшается. При этом следует учитывать, что удароопасность будет тем больше, чем выше мощность N, развиваемая разрушающимся углем. Ho мощность

зависит не только от упругой энергии, но и от времени ее высвобождения t.

Исследования показали, что увлажнение угля приводит к увелечению деформаций. В свою очередь при больших деформациях разрушение происходит медленнее по сравнению с разрушением при малых деформациях, особенно упругих, уголь становится менее хрупким и время разрушения увеличивается, что вызывает дополнительное уменьшение мощности, развиваемой разрушающимся углем.

Таким образом, проведенные исследования показали несомненное снижение удароопасности угля при его искусственном увлажнении.

При практическом использовании нагнетания воды в пласт для снижения его удароопасности необходимы количественные критерии качества увлажнения, с помощью которых можно осуществлять контроль за проводимыми работами. К числу таких критериев можно отнести уменьшение плотности упругой энергии угля в зависимости от степени его увлажнения и минимальный прирост влажности, необходимый для приведения пласта в неудароопасное состояние.

Исследования в этом направлении были проведены на сравнительно большом количестве образцов, отобранных из пласта № 11 шахты им. Калинина.

Сосредоточение исследований на углях одного шахтопласта вызвано стремлением исключить влияние факторов, определяющихся различием углей, чтобы с большей достоверностью выявить влияние степени увлажнения на прочность и упругие свойства угля. При этом учитывалось, что удароопасный пласт № 11 является характерным для бассейна. Средние значения показателей свойств исследованного угля и объемы измерений приведены в табл. 20.

Очевидно, что количественная зависимость изменения свойств угля от степени его увлажнения для других шахтопластов может несколько отличаться от полученной, однако характер и порядок полученных величин остаются аналогичными, что было проверено на небольшом количестве образцов угля, взятых из других шахтопластов.

Увлажнение образцов угля проводилось описанным выше напорным и безнапорным способом, а механические их свойства определялись по аналогичным методикам. Предел прочности при растяжении (бр), необходимый для построения паспортов прочности расчетным методом, предложенным М.М. Протодьяконовым, определялся раскалыванием образцов цилиндрической формы при нагружении их сжимающими усилиями по диаметрально противоположным образующим и вычислялся по формуле

где P — нагрузка, вызывающая разрушение образца;

F — площадь, по которой произошел разрыв.

Паспорта прочности были построены на основе показателей осж и ор с помощью обобщенного уравнения огибающей предельных кругов напряжений Мора.

Использование обобщенного уравнения огибающей позволило также выразить угол внутреннего трения и коэффициент сцепления через отношение — осж/ор.

Связь показателей механических свойств угля с показателями влажности определялась путем вычисления коэффициентов корреляции и уравнений регрессии. Точность уравнений регрессии оценивалась путем вычислений средних квадратичных отклонений экспериментальных точек от кривых регрессии, а также средних ошибок аппроксимации.

На основании полученных зависимостей показателей свойств угля от степени его увлажнения и выражения (42) определялись изменения плотности упругой энергии, вызываемые этим увлажнением, и минимальный прирост влажности, необходимый для приведения пласта в неудароопасное состояние.

Зависимость предела прочности угля при сжатии от влажности приведена на рис. 105 и устанавливается уравнением регрессии

Полученный коэффициент корреляции r = -0,54 + 0,08 — весьма значимый, так как отношение его абсолютного значения к величине ошибки (0,54/0,08 - 6,7) значительно превосходит критическое отношение для значимых коэффициентов корреляции (2,6). Значительный разброс экспериментальных точек объясняется зависимостью прочности от многих других факторов (наличие включений, структурные особенности, пористость и т. п.).

Зависимость предела прочности угля при растяжении от влажности показана на рис. 106.

Значимость коэффициента корреляции r = -0,43±0,16 в этом случае превосходит критическое отношение.

Связь ор и осж с влажностью угля выражается соотношением

С помощью отношения (46) построены паспорта прочности угля различной влажности (рис. 107) и установлены зависимости внутреннего трения и сцепления угля от его влажности (рис. 108).

Как показывают рис. 107 и 108, с ростом влажности сцепление уменьшается, а внутреннее трение несколько возрастает.

При исследовании упругих свойств образцы увлажненного угля вели себя не так, как образцы неувлажненного угля: увеличивались остаточные деформации, возрастала ширина петли гистерезиса (несовпадения кривой нагрузки и разгрузки), разрушение образцов происходило при меньших нагрузках, без звуковых эффектов. Это свидетельствует об изменении свойств угля вследствие увлажнения.

На рис. 109 показаны результаты исследований по установлению связи между влажностью и модулем упругости. Эта связь выражается уравнением регрессии

Коэффициент корреляции здесь очень высок: r = -0,85±0,03. Отношение 0,85/0,03 ~ 28, что значительно больше 2,6. Дисперсия E на 72% связана с влажностью.

Полученная зависимость свидетельствует о тесной связи между влажностью и модулем упругости.

Тесная связь с влажностью установлена и для коэффициента Пуассона (рис. 110), выражающаяся уравнением регрессии

Коэффициент корреляции r = 0,64 +/- 0,06. Значимость 0б64/0б06 = 10,7 больше 2,6. Дисперсия u на 41% связана с влажностью.

Таким образом, с увеличением влажности модуль упругости угля уменьшается, а коэффициент Пуассона возрастает. Это говорит о том, что рост поперечных деформаций обгоняет рост продольных.

Используя формулы (45) и (47), можно получить зависимость плотности упругой энергии от влажности для условий одноосного сжатия, когда F (u) в выражении (41) равно единице.

В других условиях (при нетронутом массиве и наличии бокового подпора)

Функция (50) при изменении u от нуля до 0,5 уменьшается от единицы до нуля (рис. 111).

На основании выражений (48, 49, 50) установлена зависимость плотности упругой энергии угля от влажности, представленная формулой (51) и графиком (рис. 112):

Как показывает график, с увеличением влажности угля предельная плотность упругой энергии, накапливаемой в нем под нагрузкой, уменьшается. Это уменьшение происходит неравномерно: вначале оно идет быстро, а затем постепенно замедляется.

Более отчетливое представление об уменьшении скорости изменения уровня энергии дает график (рис. 113), на котором приведена первая производная энергии по влажности:

График свидетельствует, что для исследованного угля существенное изменение плотности энергии при увлажнении происходит с ростом влажности до 1,2—1,3%. Дальнейшее увеличение влажности на величину плотности энергии заметного влияния не оказывает.

Следовательно, при естественной влажности угля 0,7—0,8% для существенного снижения уровня плотности упругой энергии необходим прирост влажности 0,5%.

Изложенные результаты исследований были получены на образцах, которые удавалось изготовлять из наиболее крепких кусков угля. Увлажнение более слабых образцов угля приводит к более значительному уменьшению осж. Поэтому полученные значения минимально необходимого прироста влажности могут быть в первом приближении распространены на все угли бассейна.