Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние исследований в области акустоэмиссионных процессов при различных режимах деформирования и нагревания угля 11
1.1. Актуальность проблемы исследования акустоэмиссионных свойств угля 11
1.2. Особенности угля как объекта акустоэмиссионных исследований 18
1.3. Современное состояние исследований закономерностей акустической эмиссии при деформировании, разрушении и нагревании угля 26
1.4. Выводы и постановка задач исследований 38
2. Экспериментальные исследования закономерностей акустической эмиссии в образцах угля при различных режимах механического нагружения 41
2.1. Петрографическая характеристика исследуемых углей 41
2.2. Общая характеристика методики проведения экспериментов 43
2.3. Закономерности акустической эмиссии образцов угля при одноосном сжатии 46
2.3.1. Постановка экспериментов 46
2.3.2. Результаты экспериментов по одноосному испытанию угля в двух режимах: с постоянной скоростью нагружения и постоянной скоростью продольной деформации 47
2.4. Закономерности акустической эмиссии образцов угля при трехосном деформировании 53
2.4.1. Постановка экспериментов 53
2.4.2. Результаты экспериментов 54
2.5. Акустоэмиссионный эффект памяти при циклическом одноосном нагружении образцов угля 66
. 2.5.1. Постановка экспериментов 66
2.5.2. Результаты экспериментов 67
2.6. Акустоэмиссионный эффект памяти образцов угля при трехосном осесимметричном сжатии 75
2.6.1. Постановка экспериментов 75
2.6.2. Результаты экспериментов по трехосному деформированию угля в последовательных циклах при постоянном боковом напряжении 78
2.6.3. Результаты экспериментов по трехосному деформированию угля в установочном цикле и одноосному- в тестовом цикле : 82
2.7. Особенности эффекта Кайзера в образцах угля на различных стадиях трехосного осесимметричного деформирования 85
2.7.1. Постановка экспериментов 85
2.7.2. Результаты экспериментов и их обсуждение 88
2.8. Выводы 96
3. Экспериментальные исследования закономерностей акустической эмиссии в образцах угля при различных режимах термического нагружения 102
3.1. Петрографическая характеристика исследуемых углей 102
3.2. Постановка экспериментов 103
3.3. Закономерности акустической эмиссии при монотонном нагревании образцов угля различных генетических типов 106
3.4. Закономерности акустической эмиссии образцов угля различных генетических типов при циклическом нагревании с возрастающей амплитудой температуры 110
3.5. Закономерности акустической эмиссии образцов антрацита при циклическом нагревании с уменьшением амплитуды температуры и стабилизацией температуры 114
3.6. Исследование закономерностей влияния помеховых факторов различной физической природы на формирование и проявление термоэмиссионных эффектов памяти в образцах антрацита 116
3.6.1. Описание исследованного антрацита 116
3.6.2. Постановка экспериментов по изучению воздействия помеховых факторов на термоэмиссионный эффект памяти антрацита 117
3.6.3. Исследование влияния фактора времени (временной задержки) на сохранность памяти в антраците 123
3.6.4. Исследование влияния увлажнения, временной задержки и замораживания на термоэмиссионный эффект памяти антрацита 125
3.6.5. Исследование влияния амплитуды установочной температуры (I цикл нагревания) на термоэмиссионный эффект памяти антрацита при фиксированном значении временного интервала между I и II циклами 127
3.7. Особенности акустической эмиссии образцов каменного угля (коксовой марки) в условиях воздействия увлажнения и временной задержки при циклическом нагревании 127
3.8. Исследование влияния скоростей нагревания антрацита в I и II циклах
на термоэмиссионный эффект памяти 130
3.9. Выводы 132
4. Методика оценки физико-механических свойств, напряженно-деформированного состояния угля и воздействовавших на него температур на основе акустоэмиссионных измерений на образцах 135
4.1. Анализ современных возможностей различных методов для изучения физико-механических свойств и напряженно-деформированного состояния угля 135
4.2. Возможности использования методов статистической обработки экспериментальных данных для анализа динамики- акустической эмиссии при деформировании образцов угля 146
4.3. Методика оценки параметров физико-механических свойств и напряженно-деформированного состояния угля на основе акустоэмиссионных признаков 152
4.4. Методические основы оценки воздействовавших на уголь механических напряжений (деформаций) и температур с использованием эффекта Кайзера и термоэмиссионного эффекта памяти 160
4.5. Область применимости акустоэмиссионного и термоэмиссионного эффектов памяти угля для оценки его напряженного состояния и испытанных температур 163
4.6. Выводы 165
Заключение 168
Список литературы
- Особенности угля как объекта акустоэмиссионных исследований
- Закономерности акустической эмиссии образцов угля при одноосном сжатии
- Закономерности акустической эмиссии при монотонном нагревании образцов угля различных генетических типов
- Возможности использования методов статистической обработки экспериментальных данных для анализа динамики- акустической эмиссии при деформировании образцов угля
Введение к работе
Акустическая эмиссия (АЭ) — явление, сопровождающее любые даже самые незначительные необратимые или частично обратимые изменения структуры твердых материалов под действием внешних факторов различной физической природы. В связи с этим очевидна перспективность использования АЭ для исследования процессов деформирования и разрушения горных пород. Неслучайно, с 50-х годов прошлого столетия регистрацию и анализ динамики параметров АЭ начали применять в практике прогноза опасных динамических явлений на шахтах. Примерно к этому же периоду относятся первые лабораторные исследования закономерностей АЭ на образцах угля, которые позволили установить качественные взаимосвязи параметров АЭ в угле с его прочностью и степенью неоднородности, а также показали, что для различных стадий деформирования характерны индивидуальные особенности эмиссии.
Изучение механизмов и закономерностей деформирования и разрушения горных пород при различных режимах механического и термического нагруже-ния является одной из приоритетных задач экспериментальной геомеханики. Основным направлением решения данной задачи были и остаются испытания на образцах, сопровождаемые комплексом деформационных, акустических, электрических и других видов измерений. В последние годы предпринимаются активные попытки включения в указанный комплекс параметров акустической эмиссии, которая зарекомендовала себя как эффективный инструмент исследований в области физики прочности и пластичности геоматериалов.
В то же время следует отметить, что на начальном этапе, а также и в дальнейшем, большинство акустоэмиссионных исследований в угле проводились в звуковом и нижнем ультразвуковом диапазоне частот, а соответствующая измерительная аппаратура имела низкую абсолютную чувствительность и помехозащищенность. Как следствие, с учетом высокого частотно-зависимого затухания упругих волн в угле, АЭ позволяла изучать преимущественно про-
цессы макроразрушения геоматериала и не давала информации о динамике его «тонкой» структуры, знание которой необходимо для выявления механизмов и количественных закономерностей деформирования и разрушения* образцов. Кроме того, объем акустоэмиссионных исследований на образцах угляшриих механическом нагружении до настоящего времени-довольно ограничении;не охватывает всех практически важных режимов указанного нагружения,.а:закономерности АЭ^ характерные; для хрупких и пластичных пород, не могут быть распространены на такой- специфический; геоматериал как уголь. Данные;о; закономерностях АЭ5 образцов угля при различных видах термического нагруже-ния в настоящее время отсутствуют. Что касается; способов,геоконтроля, базирующихся на информации; получаемой при акустоэмиссионных; исследованиях на образцах, то они: разрабатывались только применительно к классическим хрупким; и пластичным; горным породам, и; не могут быть автоматически распространены на у голь.
Таким; образом:, предстапвляется актуальной' задача установления закономерностей АЭ при различных режимах механического и термического нагру-жения угля и разработки на этой основе способов оценки его физико-механических свойств, напряжённо-деформированного состояния и максимально испытанных температур.
Исследования, представленные в работе, проводились при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 04-05-64885, 07-05-00045) и фонда "Ведущие научные школы, России" (грант Ш- НШ-1467.2003.5);
Цель работы состоит в экспериментальном исследовании закономерностей акустической эмиссии;в образцах угля при различных режимах механического и термического нагружения и разработке на этой основе способов оценки физико-механических свойств, напряженно-деформированного состояния угля и испытанных им температур.
Идея работы заключается в применении информативных параметров акустической эмиссии для идентификации стадий деформирования, границ пе-
6 -'^
реходов между указанными стадиями, оценки физико-механических свойств,
состояния угля и воздействовавших на него температур. Методы исследований:
экспериментальное изучение акустической эмиссии в образцах угля при различных режимах механического и термического нагру-жениЯу
компьютерная обработка, интерпретация и анализ полученной информации с использованием аппарата математической статистики на основе применения современного программного обеспечения;
обобщение и анализ литературных данных по существующему со
стоянию изучаемой проблемы. v
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Механическое деформирование и разрушение образцов угля отражаются в устойчивых аномалиях информативных параметров АЭ, по которым могут быть определены стадии деформирования, переходы между ними, а также физико-механические свойства и состояние угля при комплексных механо-акустических измерениях.
Угольные образцы обнаруживают специфику проявления акустоэмис-сионных свойств при механическом и термическом нагружении по сравнению с классическими хрупкими и пластичными горными породами в аналогичных условиях испытаний. Уголь характеризуется аномально высокими значениями активности АЭ и наличием представительной эмиссии в широком диапазоне исследованных режимов нагружения, что создаёт предпосылки отнесения угля к отдельному классу объектов акустоэмиссионных исследований и идентификации его по типу «акустоэмиссионных паспортов».
3. Закономерности формирования и проявления акустоэмиссионного и
термоэмиссионного эффектов памяти в антраците свидетельствуют о высокой
степени четкости и сохранности данным геоматериалом акустоэмиссионной
информации об истории испытанных циклических воздействий. В то же время каменный (коксовый) уголь свойством термоэмиссионной памяти не обладает.
4. При трёхосном осесимметричном нагружении образцов антрацита в первом цикле и одноосном — во втором, акустоэмиссионный эффект памяти имеет место при напряжении, представляющем собой линейную комбинацию
главных напряжений первого цикла: <х, *я =
экспериментально установленный и индивидуальный для антрацита коэффициент, зависящий от трения между берегами трещин.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и реко-' мендаций подтверждаются:
- непротиворечивостью результатов экспериментальных исследований-
акустоэмиссионного эффекта памяти угля и результатов, прогнозируемых на
основе разработанных ранее теоретических моделей, основанных на концепции-
трещинообразования в геоматериалах при сжатии за счет роста трещин растя
жения, порождаемых начальными трещинами сдвига;
удовлетворительной сходимостью (с погрешностью, не превышающей нескольких процентов) результатов оценки свойств и состояния угля, получаемых на основе акустоэмиссионных и традиционных деформационных измерений;
хорошей воспроизводимостью закономерностей АЭ, полученных при проведении акустоэмиссионных измерений в каждом из однотипных режимов нагружения на статистически значимом количестве (более десяти) образцов угля одного генетического типа.
Научная новизна исследований заключается:
в установлении закономерностей АЭ образцов угля, а также особенностей формирования и проявления акустоэмиссионного эффекта памяти в них при различных режимах механического нагружения;
в установлении закономерностей АЭ в образцах каменного угля и антрацита при различных режимах термического нагружения, а также особенно-
стей формирования: и проявления термоэмиссионного эффекта памяти в антра
ците;. \
в установлении закономерностей влияния помеховых факторов различной физической природы на формирование и проявление термоэмиссионных эффектов памяти в образцах.антрацита;
в обосновании и разработке способов1 оценки физико-механических свойств; угля; а также испытанных им ранее механических напряжений и -температур по результатам акустоэмиссионных измерений на образцах.
Научное значение работыгзаключается-в.установлении экспериментальных закономерностей? АЭ> при различных режимах механического и термичег ского нагружения с образцов угля^ а также взаимосвязей информативных параметрові АЭ с механическими свойствами, стадиями деформирования' и напряжённым состоянием угольных образцов.
Практическое значение работы состоит в обосновании и разработке ме-тодики оценки механических свойств^ стадий деформирования и напряжённого состоянияугля, а также испытанныхим; максимальных- температур с использот ванием акустоэмиссионных измерений на образцах.
Реализация работы. На основе проведённых исследований создана "Методика оценки физико-механических свойств, напряженно-деформированного состояния угля и воздействовавших на него температур на основе акустоэмиссионных измерений на образцах", которая передана для использования; в^ МГГУ, ИПКОН РАН, ЖД.СО РАН, Институт угля СО РАН, ННЦ ГИ - ИГД им. А.А. Скочинского и другие организации.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных симпозиумах "Неделя горняка" (Москва, 2004, 2005, 2006; 2007, 2008), Международной: научной конференции: молодых ученых "Проблемы освоения полезных ископаемых" (Санкт-Петербург, 2005), XIX сессии Российского акустического общества Нижний Новгород, 2007). Отдельные аспекты диссертационной работы были представлены и удостоены дипломов на П-ой Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательской и инновационной дея-
тельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений РФ "Иннов-2005" (Новочеркасск, 2005) и Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи "НТТМ-2005" (Москва, 2005). Исследования автора по АЭ при механическом деформировании образцов угля участвовали в открытом конкурсе 2005г. на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах РФ и были удостоены диплома I степени Министерства образования России «За лучшую научную работу».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 181 странице (включая 145 страниц текста), содержит 91 рисунок, 6 таблиц, список литературы из 105 наименований.
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю проф, д.т.н. Шкуратнику В.Л., а также коллективу кафедры «Физико-технический контроль процессов горного производства» МГГУ, сотрудникам ООО «Подземгазпром» и ООО «Спецконтроль и диагностика», а также близким и друзьям за постоянную помощь, поддержку и внимание.
1. Современное состояние: исследований в области
акустоэмиссионных процессов-при различных* режимах
деформирования и,нагревания угля
1.1. Актуальность проблемы исследованияакустоэмиссионныхсвойств
угля-Несмотря на постоянно меняющуюся социально-экономическую ситуацию,, как в Россищ так и в мире, уже в течение* нескольких столетий интерес к такому, виду полезного ископаемого как, уголь остается весьма' значительным: Он по-прежнему является-наиболее разведанным в: мире топливным ресурсом^ важнейшим, незаменимым, сырьем в металлургической, химической и смежных отраслях промышленности. Однако в. результате отработки наиболее доступ- . ных частей месторождений, процесс добычи распространяется-на более глубокие горизонты. Кроме того, возможно, что с повышением уровня техники? и: технологии будут также задействованы запасы, отнесённые ранее к категории забалансовых. Данные обстоятельства сопровождаются рядом, проблем, к ост новным из которых можно отнести увеличение сложности геомеханического; состояния массива, повышение температуры пород, более тяжелые гидрогеолог гические условия и состояние газового режима, и многое другое, что в целом-можно охарактеризовать как значительное повышение сложности горногеологических условий разработки угольных месторождений.
Обозначенные проблемы, ставят перед инженерами ряд новых сложных задач, как, В; области эксплуатации, так и — в проектировании угольных предприятий, которые необходимо решать. При этом как технологам, так и проектировщикам, требуется достоверная информация об объекте разработки. Первым она, необходима для принятия рациональных технических решений по безопасности и эффективности эксплуатации предприятий; и может быть получена в результате оперативного контроля: В процессе же проектирования, данная, информация может быть заложена в основные расчеты и обоснования проекта предприятия.
Для решения задач обеспечения эффективности и безопасности на всех стадиях ведения горных работ на угольном предприятии в настоящее время существуют различные геолого-маркшейдерские, механические и геофизические подходы в области геоконтроля, характеризуемые определенными недостатками и ограничениями применимости. Исследование же свойств и состояния угля занимает особое место, т.к. в силу его специфики и уникальности, обусловленных чрезвычайной сложностью структуры данного объекта исследования, большинство из широко применяемых методов не может быть использовано.
Под акустической эмиссией (АЭ) понимается процесс излучения твердым телом упругих волн, вызванный динамической локальной перестройкой его внутренней структуры [1]. Закономерности АЭ в угле изучены до настоящего времени недостаточно, а имеющиеся данные по АЭ других горных пород не могут быть непосредственно распространены на него.
Изучение закономерностей АЭ в угле может способствовать успешному решению многих актуальных задач:
1. Оценка физико-механических свойств и состояния, идентификация
стадий деформирования угля по информативным параметрам АЭ.
2. Оценка и контроль напряженно-деформированного состояния целиков
угля с целью уменьшения неоправданных потерь полезного ископаемого [2].
3. Исследования механизмов различных геодинамических явлений в
угольных шахтах (горные удары, внезапные выбросы), на основе знания кото
рых возможно создание более совершенных методов контроля и прогноза этих
опасных процессов [3].
4. Контроль и оценка эффективности при проведении различных профи
лактических мероприятий для предотвращения геодинамических явлений (гор
ные удары, внезапные выбросы) и управлении состоянием угольного пласта
(гидроотжим, увлажнение, дегазация, разгрузка, упрочнение и т.п.) [3, 4, 5].
5. Исследование параметров АЭ позволяет анализировать механизмы
разрушения угля с точки зрения возможного образования тонкодисперсной
респирабельной пыли, являющейся одним из важнейших вредных факторов
угольного производства [5, 6]. Это открывает пути к оптимальному выбору режимов разрушения угля с использованием определенного способа отбойки, типа породоразрушающего инструмента и т.д.
Информативные параметры АЭ позволяют, в конечном итоге, при оптимизации параметров разрушения угля, уменьшить энергоемкость процессов отделения данного полезного ископаемого от массива.
АЭ контроль протекания процессов подземного сжигания, газификации, термообработки угля, мониторинг подземных пожаров и т.д. [3].
Использование акустоэмиссионного эффекта памяти (эффекта Кайзера) для оценки величин и направлений естественных и вызванных главных напряжений в угле [7].
Необходимо отметить, что, например, по мнению авторов [8], в своем большинстве микросейсмическая активность в угольных шахтах может быть связана с разрушением угля, а не с неустойчивостью слоев пород кровли или почвы. Это объясняется исследователями тем, что уголь относительно непрочен, имеет естественные трещины и нарушения и его хрупкое поведение при разрушении может быть менее подвержено влиянию влажности. Данные предпосылки подчеркивают важность изучения процессов АЭ собственно в угле.
Угольный пласт, таким образом, играет роль своеобразного особо чувствительного индикатора геомеханического состояния углепородного массива, а АЭ, в свою очередь, служит инструментом, позволяющим изучать и интерпретировать информацию об этом состоянии.
При этом следует особо подчеркнуть, что регистрация АЭ в натурных условиях отражает сложность и изменчивость процесса разрушения угольного пласта, которые обусловлены совместным влиянием множества факторов различной природы [9, 10]. К естественным факторам можно, например, отнести крайнюю неоднородность разрушаемого материала — угля, прочность угля и ее изменчивость, трещиноватость, наличие зеркал скольжения, упругие, реологические и другие свойства угольного пласта и вмещающих пород и т. д. Среди техногенных факторов можно выделить основные горнотехнические условия:
форма забоя, тип выемочного механизма и скорость выемки, количество забойщиков, одновременно выполняющих работы, число дренажно-разгрузочных скважин, управление кровлей, наличие целиков на соседних пластах и многое другое; В процессе развития добычных работ угольный пласт, имеющий чрезвычайно неравномерное распределение свойств материала, попадает в изменяющееся и неоднородное поле давления. Очевидно, что в данном случае имеется: многофакторная система; действие которой выражается в процессах АЭ:
( При исследованиях в натурных условиях невозможен дифференцированный анализ такого множества совместно действующих факторов и их механизмов^ По-видимому, выход из данной ситуации целесообразно искать в.обращении к лабораторному эксперименту по механическому деформированию^ и разрушению образцов угля, а также воздействию; на- него различных факторов другой физической природы, с использованием метода АЭ: Правильное планирование лабораторных экспериментов позволяет, используя; контролируемые условия? их проведения; исследовать закономерности: как раздельного, так и совместного влияния различных факторов; на процессы, протекающие в объекте исследования; которым в данном случае является уголь. Кроме того; разработана теория, согласно- которой инициирование и развитие процесса разрушения инвариантно к его масштабному уровню и не зависит от типа породы. Основоположником данной: теории является Б.Т. Бреди, она подтверждена исследованиями разрушения на образцах горных пород* лабораторных размеров, при газодинамических явлениях в шахтах и при землетрясениях [4]. Этот'факт также указывает на перспективность лабораторного изучения закономерностей АЭ в угле.
Лабораторные исследования АЭ в угле: позволяют изучать развитие нат пряжений, которые возникают в горной породе и разрушают ее для того, чтобы процесс контроля в натурных условиях мог более эффективно применяться и данные, полученные в естественных условиях, интерпретировались с большей надежностью. Значительное количество случаев смертельного исхода и травматизма в угольных шахтах связано с неустойчивостью кровли, целиков и добыч-
ного забоя. Напряжения; вызывающие разрушение целиков, и управляемое уменьшение размера целика для более полного извлечения полезного ископаемого также являются актуальными проблемами, для решения которых может успешно применяться акустоэмиссионный (микросейсмический) мониторинг. Поэтому большое значение представляет разработка ответов на вопросы, связанные с простым, точным и надежным практическим применением метода акустоэмиссионного мониторинга [2].
Исследование параметров АЭ позволяет анализировать механизмы разрушения угля с точки' зрения возможного образования тонкодисперсной пыли при различных условиях воздействия на уголь [5, 6]. Таким образом, возможно уменьшение чрезмерного переизмельчения угля с образованием большого количества пыли. При этом метод АЭ является наиболее удобным для характеристики процессов микроразрушения.
Особое место в изучении угля занимает акустоэмиссионный эффект памяти (эффект Кайзера). Знание величины и направления естественных и вызванных напряжений в массиве горных пород имеет существенное значение при проектировании подземных работ. Надежная оценка естественных напряжений — важный этап анализа и проектирования любых подземных работ, особенно для создания устойчивых подземных сооружений с целью предотвратить аварию и разрушение подземных выработок. Разработано несколько подходов к определению естественного напряженного состояния, но ни один из них не является универсально применимым и всем из них присущи недостатки и ограничения. Угольный пласт обладает по природе такими свойствами хрупкости и нарушенности, что наиболее укоренившиеся методы геоконтроля не могут быть успешно применены для определения естественных напряжений в угольном массиве [7].
Исследователями уже подчеркивалась возможность существования связи между эффектами памяти и естественными и техногенными геодинамическимй явлениями, т.к. в массиве горных пород могут реализовываться условия, ответственные за проявления эффектов памяти [11, 12]. В связи с разработкой уголь-
ных месторождений необходимо отметить одно интересное обстоятельство. В 1914 г. Вебер высказал идею «волны давления», исходя из наблюдений, которая была поддержана рядом ученых. В результате исследований, проведенных И.Л. Черняком [13], были сформированы современные представления о волнах Вебера. Этот сложный процесс заключается в том, что при движении забоя изменяется не только размер консоли, но и также число слоев-пород, формирующих опорное давление за счет периодического изменения зоны обрушения пород в выработанном пространстве. Это вызывает периодически повторяющееся увеличение амплитуды волны давления после каждого цикла до обрушения основной кровли. При движении забоя происходит также изменение зоны влияния волны, представляющей собой расстояние от очистного забоя, на котором волна полностью затухает. Таким образом, подвигание забоя и изменение размеров консолей слоев пород и их числа в зоне динамики имеют следствием то, что каждая точка породного массива подвергается действию различных по величине знакопеременных напряжений (сжимающих и растягивающих), т.е. происходит процесс «топтания» угля и пород. «Топтание» угольного пласта сопровождается аналогичным процессом в породах непосредственной кровли. При определенных значениях сжимающих и растягивающих напряжений может происходить разрушение угольного пласта. Обозначенные явления выступают одной из причин периодических «заколов» пород кровли в забоях. Ясно, что такой характер эволюции напряженно-деформированного состояния угольного пласта и пород впереди лавы при движении очистного забоя относится в наибольшей степени к разработке с применением способа управления кровлей полным обрушением. Вышеописанный процесс является еще одним фактором, который, возможно, благоприятствует проявлению эффекта Кайзера в естественных условиях добычи угля. Однако, в данной ситуации он носит сложный характер, проявляясь в условиях комбинированного режима нагружения. Представляется возможным, что использование АЭ позволило бы лучше понять эти процессы с целью дальнейшей разработки теорий природы и механизмов различных динамических явлений и методов их контроля на основе акустоэмисси-
онных предвестников, а также изучать изменения напряженно-деформированного состояния углепородного массива при технологическом воздействии для корректировки технологии. При этом, возможно, представляет интерес изучение закономерностей эффекта Кайзера в условиях воздействия на уголь знакопеременных нагрузок в различных циклах нагружения.
Кроме того, периодические колебания давления на призабойную часть угольного пласта могут вызываться периодическим действием лунно-солнечных приливных напряжений [9, 14], что также отражается в акустоэмис-сионном поведении' угольных пластов.
Периодичностью обладают взрывные работы, производимые в угольных шахтах, и практически все остальные технологические процессы разработки.
Для контроля процессов управления состоянием угольного пласта (увлажнение, дегазация, разгрузка, упрочнение и т.д.), изучения механизмов газодинамических явлений и процессов разработки на больших глубинах большое значение имеет знание закономерностей АЭ не только при механическом деформировании и разрушении угля, но и при воздействии других факторов. Например, таких как различные вариации термодинамического режима, т.е. параметров.(Р,Т)-поля, воздействия на уголь вещественного поля различных газов и жидкостей - насыщение флюидами и процессы их фильтрации. Среди жидкостей наибольший интерес представляют подземные воды, а также, например, растворы ПАВ для изучения процессов технологического разупрочнения угля или, напротив, растворы упрочняющего состава. Газами могут служить, прежде всего, метан и диоксид углерода.
На проявления АЭ может влиять литология угля [8], его генетический тип [2], и, по-видимому, множество других факторов структуры и свойств углей (зольность, содержание серы и т.д.).
Кроме перечисленных и раскрытия существования новых потенциальных возможностей практических приложений в области исследований закономерностей АЭ угля, эти проблемы имеют также большое фундаментальное значение. Это, прежде всего, связано со спецификой угля как объекта исследования. Дан-
ный геоматериал требует глубокого изучения, т.к. многие вопросы являются на сегодняшний день нерешенными и требуют применения новых методов и подходов. 1.2. Особенности угля как объекта акустоэмиссионных исследований
Угли — чрезвычайно интересный и своеобразный среди природных органических углеродистых образований объект научного исследования.
Разностороннее изучение угля продолжается.и в наши дни, т.к. хотя и накоплен значительный объем^ знаний по физическим и- химическим свойствам данного геоматериала, многие вопросы уточняются, а некоторые из них не изучены совсем. В наибольшей степени развита в настоящее время углехимия, но ввиду крайней сложности объекта исследования в ней постоянно идет научный поиск: изучаются химический состав, структура и свойства углей, и несмотря на существование нескольких точек зрения на эти проблемы, они еще далеки от своего окончательного завершения. Физика угля развита в меньшей степени. Изучение физических процессов, происходящих в углях, представляет большие трудности. Необходимо выделить и подчеркнуть наиболее важные характерные особенности свойственные углю.
Часто как в отечественных, так и зарубежных источниках можно встретить сочетание «горные породы и уголь». По-видимому, авторы тем самым не только выделяют уголь как полезное ископаемое, отмечая его значение, и противопоставляют его другим породам, в частности, контрастирующим с углем вмещающим горным породам, но и, таким образом, подчеркивается глубокая специфика и особенности угля в сравнении с другими природными материалами. Ведь самым примечательным при этом является факт, что сам уголь являет-, ся полноправным представителем такого колоссального класса геологических объектов как горные породы, однако данное понятие применяется к углю в значительно меньшей мере, чем по отношению к любому другому геоматериалу, исключая, пожалуй, лишь другие каустобиолиты, например, торф.
Угли представляют продукт, образовавшийся из растительного материала в отдаленные от нашего времени геологические эпохи. Поэтому их изучение
неизбежно связано с необходимостью учета геологии и петрологии углей, особенностей геологических эпох, условий образования углей и химизма указанного процесса.
Несмотря на то, что любой вид горной породы имеет существенные различия не только между месторождениями, но также, возможно, в пределах даже одного месторождения; уголь занимает особое место. Трудно найти подобный геоматериал, который'существовал бы.в,стольких формах. Ископаемые угли делятся по происхождению на две основные группы: гумолиты и сапропелиты. В: свою очередь, гумолиты разделяются на гумиты, и липтобиолиты. Подавляющее большинство распространенных в природе и эксплуатируемых ископаемых углей составляют гумиты. По степени метаморфизматумиты разделяют на бурые, каменные угли и антрациты. Остальные виды углей (липтобиолиты; сапропелиты, в т.ч. кеннель, богхед) встречаются сравнительно редко и не имеют существенного практического значения. Кроме того, среди бурых углей, каменныхуглей и антрацитов выделены угли марочного состава.
Таким образом, угли являются природными органогенными материалами, отличающимися разнообразием, сложностью и своеобразием состава, структуры и свойств.
Петрографические особенности углей, их вещественный состав, строение и структура, физические и химические свойства достаточно подробно описаны во многих работах [15-22].
Современные твердые горючие ископаемые, относящиеся к гумусовым образованиям, можно рассматривать как стадию единого процессса, выражаемого генетическим рядом: исходный растительный материал, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, графит.
Химическая сущность превращений реализуется в повышении содержания углерода в продукте по мере течения процесса, в усложнении структуры вещества, в увеличении его нейтральности, однородности и компактности. Не рассматривая даже антрацит и графит, каменные угли являются высокоуглеродистыми образованиями очень сложного состава и строения [15].
Угли представляют собой сложные и своеобразные коллоидные системы. Свойства углей (пористость, сорбционные свойства, выход летучих и т.д.) изменяются* на различных стадиях метаморфизма. Естественно, что это относится к органической массе угля. Уголь является полимерным веществом. Наиболее распространены представления, согласно которым, различные угли представляют собой углеродные пакеты («кристаллиты»), расположенные хаотично* в* объеме. Данные графитоподобные фрагменты состоят из различной степени? упорядоченности ламелей, представляющих плоские слои конденсированных ароматических колец, окруженных радикалами^ имеющими разветвленную форму, напоминающую бахрому [15, 22,, 23]. Такова;сильно упрощенная схема-строения^ угольного вещества. Разница в размерах, форме, степени совершенства и упорядоченности макромолекул, особенности их взаимного расположения* обуславливают различие углей.. Довольно часто прибегают к; определенным; аналогиям с графитом при; описании разнообразных полимерных форм углерода [23]. Высокомолекулярная/ структура угля в различных точках может, быть; неупорядоченной, аморфной, или упорядоченной, в смысле правильной ориентации элементарных структурных единиц друг относительно друга [15].
Свойства углей и, в частности, физико-механические,. взаимосвязаны и определяются химическим, составом и структурными особенностями угольного вещества, атакже минеральных примесей и включений [22, 24].
Особое значение имеет изучение физической природы прочности угля и процессов, определяющих механизмы его разрушения [23].
Так разрушение углягзаключается в развитии процессов трещинообразо-вания, которые зависят от физико-механических свойств, таких как прочность, однородность и др. [24], что в свою очередь отражается в особенностях процессов АЭ.
Свойства углей, их строение, состав, геологические особенности5 генезиса имеют глубокую взаимосвязь и взаимообусловленность.
Большой интерес представляет изучение фрактальной структуры ископаемых углей [25]. Макромолекулярная структура углей характеризуется их
фрактальностью, проявляющейся, независимо от ее типа, при определенном увеличении, которое характерно для разных стадий метаморфизма, т.е. отражает крупность агрегатов молекул и их форму. Изучение фрактальной структуры позволяет прогнозировать зарождение и развитие трещин в угольном веществе при воздействии на него, а также теоретически анализировать механизмы развития. Этому способствует связь фрактальности с пористостью и трещиновато-стью, разнообразием поверхностей контактов. Авторы [25], отмечают, что разнообразие систем микротрещин и фрактальных структур углей дает основание для описания процесса зарождения и распространения трещин в них при*технологическом воздействии как стохастического с применением математического-аппарата статистической физики. Разрушение и разупрочнение угольного вещества могут вызывать воздействия на него водными растворами- поверхностно-активных веществ, различных нестационарных упругих полей, возникающих при разработке угольных пластов и т.д.
Таким образом, экспериментальное изучение фрактальной структуры углей с количественным определением параметрові угольного вещества и создание математических моделей с их использованием, возможно, откроет перспективы более глубокого теоретического исследования процессов разрушения углей при различных воздействиях. Процессы же разрушения, выражающиеся в трещинообразовании, имеют непосредственную связь с явлениями АЭ в материале.
Например, в работе [26] качественная картина разрушения углей при на-гружении с возникновением импульсного электромагнитного излучения, объясняется следующим образом. Угольное вещество состоит на молекулярном уровне из упорядоченной части — макромалекул и неупорядоченной — «бахромы» - кислородсодержащих групп, которые тесно взаимосвязаны. Кроме того, в угле присутствует большое количество примесей, находящихся в кристаллическом состоянии. Места, где расположены примеси в веществе, находятся в наиболее напряженных областях структуры. Следовательно, возможно предположить, что импульсное электромагнитное излучение при механическом раз-
рушении угля обусловлено его упорядоченной частью и примесями в его структуре.
Хотя АЭ и электромагнитная эмиссия (ЭМЭ) являются различными явлениями, природа их возникновения близка, заключаясь в развитии процессов трещинообразования вследствие дефектности, гетерогенности вещества.
Уголь является чрезвычайно неоднородным, неравнопрочным, анизотропным материалом. В работе [24] также отмечается, что при нагружении угля создаются условия для локальных концентраций напряжений на отдельных прочностных связях, при этом наиболее слабые из них нарушаются. Количественная оценка влияния структурной неоднородности угля на его механические свойства является достаточно трудной задачей [22].
Крайняя гетерогенность угля в куске, пачке и-особенно в пласте, часто сложное строение, множество твердых минеральных включений и вкраплений, прочность которых во много раз может превышать прочность угольного вещества, разбитость пласта угля системой трещин и т.д. являются факторами, осложняющими изучение углей. При некоторых разновидностях углей вообще не представляется возможным изготовление образцов правильной геометрической формы [22].
Напряженно-деформированное состояние угольного пласта существенно зависит от анизотропии, слоистости, неоднородности, трещиноватости угля. Упругие параметры угля изменяются при удалении от горной выработки. В области отжатого угля отражаются главным образом вязко-пластические свойства, а за зоной предельного состояния уголь находится в упругом или упруго-пластическом режиме.
К основным факторам, определяющим физические свойства углей, относятся: 1) влажность; 2) генетические (петрографические) различия; 3) количество и состав минеральных примесей (зольность); 4) степень метаморфизма (уг-лефикации) [17].
Многообразие углей может проявлять при различных воздействиях самые различные свойства. Вязкость и хрупкость, противоположные друг другу свой-
??
ства, можно примерно оценить в кусках угля. Выделяют, таким образом, вязкие, слабовязкие, слабохрупкие, хрупкие и очень хрупкие угли [18].
Необходимо подчеркнуть, что исследователями, изучавшими эффективность процесса резания углей инструментами по величине удельной энергии резания, отмечалась необходимость оценки-хрупко-пластических свойств углей. При этом было указано, что всякое деление углей на группы (например, вязкие и хрупкие) является в известной мере условным. Области вязких и хрупких углей несколько перекрываются [27].
Угли дают необратимую деформацию и обладают упругим гистерезисом, который возможен только при существовании замедленной упругой? деформации. Экспериментально установлено, что угли — это вязко-упругие тела, имеющие мгновенную и.запаздывающую упругие деформации, а таюке необратимую пластическую деформацию [22].
Механические свойства высокополимерных веществ зависят от числа и прочности связей, образующих пространственную структуру вещества, следовательно, возможно изменение механических свойств при термическом воздействии на угли в результате разложения угольного вещества. Механические свойства, по-видимому, зависят и от межсеточной упорядоченности [22].
Пластичность угля — одно из важнейших его свойств (размягчение, вспучивание). При воздействиях превышающих критическое, особенно при повышенной температуре, в результате структурных преобразований, вещество угля становится текучим [15].
Кроме петрографического состава и других особенностей строения угля на его прочностные свойства оказывает влияние скорость деформирования. Так, на каменном угле Кизеловского бассейна, как и на каменной соли (породе мономинеральной) двух месторождений, обнаружено падение прочности с ростом скорости деформирования [20].
В работе [21] были получены интересные закономерности проявления масштабного эффекта в углях, заключающегося во влиянии на показатели прочности размеров образцов. Проявление данного эффекта в различных гор-
ных породах надежно описывается уравнениями статистической теории хрупкой* прочности, а вот для описания проявления масштабного эффекта в углях эти уравнения неприменимы. Минимальное значение прочности в углях, полученное по параметрам распределения значений прочности при испытании образцов малого размера, в несколько раз превысило пределы прочности, определенные в натурных крупномасштабных испытаниях. Данное различие в поведении горных пород и углей, по мнению авторов, связано с особенностями тре-щиноватости углей. При увеличении размера испытываемых образцов в* них появляются новые, более крупные трещины (трещины' низшего порядка), которые не существенно влияли на параметры распределения характеристик прочности при испытаниях образцов малого размера. Следовательно, применение уравнения статистической теории хрупкой прочности для оценки прочности углей в образцах другого размера возможно только в незначительных пределах изменения размеров образцов.
Необходимо особо подчеркнуть, что угли являются высокоактивными-в физико-химическом отношении средами. Угольное вещество обладает значительной сорбционной способностью. Например, проводилисыэксперименты по выдержке образцов угля в метановой среде в течение 4-7 сут и последующему одноосному сжатию. До этого из специальных колб с образцами в течение недели откачивался воздух, и затем метан был подан под высоким давлением (150-200 МПа). Результаты испытаний образцов показали, что насыщение угля метаном оказывает воздействие на его прочностные и деформационные свойства до и после достижения предела прочности. Модуль упругости и прочность образцов уменьшилась соответственно на 25-40 и 40-60 %. Модуль спада изменился на 75-80 %. Наклон запредельной ветви уменьшился в 4 раза, т.е. насыщение метаном повысило пластичность угля [28].
Специфические особенности угля (свойства,
характеристики), а также вопросы, осложняющие его
акустические исследования
Являясь вязко-упругим телом, характеризуется наличием мгновенной и запаздывающей упругих деформаций (упругий гистерезис), а также необратимых пластических деформаций
Сложность строения и свойств (анизотропия, гетерогенность,
трещи но ватость, физико-химическая активность и т.д.)
Многообразие генетических
типов и петрографического
состава
Особенности генезиса(органогенная высокополимерная осадочная порода)
Трудности обеспечения надежных контактных условий преобразователей с объектом контроля
Более низкие прочностные
характеристики в сочетании
со значительной нарушенно-
стью по сравнению с другими
горными породами
Сложность изготовления образцов правильной формы без привнесения дополнительной нарушенности
Рис. 1.1. Особенности угля как объекта акусто эмиссионных исследований
Механизмы сорбции зависят не только от особенностей строения угля, но и от сорбируемого газа, режима испытания. Это проявляется в особенностях деформационных свойств, а также в закономерностях АЭ, отражающих эти сложные процессы [29].
На рис. 1.1 представлена схема, отражающая наиболее важные особенности ископаемых углей как объектов исследования с помощью метода АЭ:
Особенности угля как объекта акустоэмиссионных исследований
Угли — чрезвычайно интересный и своеобразный среди природных органических углеродистых образований объект научного исследования.
Разностороннее изучение угля продолжается.и в наши дни, т.к. хотя и накоплен значительный объем знаний по физическим и- химическим свойствам данного геоматериала, многие вопросы уточняются, а некоторые из них не изучены совсем. В наибольшей степени развита в настоящее время углехимия, но ввиду крайней сложности объекта исследования в ней постоянно идет научный поиск: изучаются химический состав, структура и свойства углей, и несмотря на существование нескольких точек зрения на эти проблемы, они еще далеки от своего окончательного завершения. Физика угля развита в меньшей степени. Изучение физических процессов, происходящих в углях, представляет большие трудности. Необходимо выделить и подчеркнуть наиболее важные характерные особенности свойственные углю.
Часто как в отечественных, так и зарубежных источниках можно встретить сочетание «горные породы и уголь». По-видимому, авторы тем самым не только выделяют уголь как полезное ископаемое, отмечая его значение, и противопоставляют его другим породам, в частности, контрастирующим с углем вмещающим горным породам, но и, таким образом, подчеркивается глубокая специфика и особенности угля в сравнении с другими природными материалами. Ведь самым примечательным при этом является факт, что сам уголь являет-, ся полноправным представителем такого колоссального класса геологических объектов как горные породы, однако данное понятие применяется к углю в значительно меньшей мере, чем по отношению к любому другому геоматериалу, исключая, пожалуй, лишь другие каустобиолиты, например, торф.
Угли представляют продукт, образовавшийся из растительного материала в отдаленные от нашего времени геологические эпохи. Поэтому их изучение неизбежно связано с необходимостью учета геологии и петрологии углей, особенностей геологических эпох, условий образования углей и химизма указанного процесса.
Несмотря на то, что любой вид горной породы имеет существенные различия не только между месторождениями, но также, возможно, в пределах даже одного месторождения; уголь занимает особое место. Трудно найти подобный геоматериал, который существовал бы.в,стольких формах. Ископаемые угли делятся по происхождению на две основные группы: гумолиты и сапропелиты. В: свою очередь, гумолиты разделяются на гумиты, и липтобиолиты. Подавляющее большинство распространенных в природе и эксплуатируемых ископаемых углей составляют гумиты. По степени метаморфизматумиты разделяют на бурые, каменные угли и антрациты. Остальные виды углей (липтобиолиты; сапропелиты, в т.ч. кеннель, богхед) встречаются сравнительно редко и не имеют существенного практического значения. Кроме того, среди бурых углей, каменныхуглей и антрацитов выделены угли марочного состава.
Таким образом, угли являются природными органогенными материалами, отличающимися разнообразием, сложностью и своеобразием состава, структуры и свойств.
Петрографические особенности углей, их вещественный состав, строение и структура, физические и химические свойства достаточно подробно описаны во многих работах [15-22].
Современные твердые горючие ископаемые, относящиеся к гумусовым образованиям, можно рассматривать как стадию единого процессса, выражаемого генетическим рядом: исходный растительный материал, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, графит.
Химическая сущность превращений реализуется в повышении содержания углерода в продукте по мере течения процесса, в усложнении структуры вещества, в увеличении его нейтральности, однородности и компактности. Не рассматривая даже антрацит и графит, каменные угли являются высокоуглеродистыми образованиями очень сложного состава и строения [15].
Угли представляют собой сложные и своеобразные коллоидные системы. Свойства углей (пористость, сорбционные свойства, выход летучих и т.д.) изменяются на различных стадиях метаморфизма. Естественно, что это относится к органической массе угля. Уголь является полимерным веществом. Наиболее распространены представления, согласно которым, различные угли представляют собой углеродные пакеты («кристаллиты»), расположенные хаотично в объеме. Данные графитоподобные фрагменты состоят из различной степени? упорядоченности ламелей, представляющих плоские слои конденсированных ароматических колец, окруженных радикалами имеющими разветвленную форму, напоминающую бахрому [15, 22,, 23]. Такова;сильно упрощенная схема-строения угольного вещества. Разница в размерах, форме, степени совершенства и упорядоченности макромолекул, особенности их взаимного расположения обуславливают различие углей.. Довольно часто прибегают к; определенным; аналогиям с графитом при; описании разнообразных полимерных форм углерода [23]. Высокомолекулярная/ структура угля в различных точках может, быть; неупорядоченной, аморфной, или упорядоченной, в смысле правильной ориентации элементарных структурных единиц друг относительно друга [15].
Свойства углей и, в частности, физико-механические,. взаимосвязаны и определяются химическим, составом и структурными особенностями угольного вещества, атакже минеральных примесей и включений [22, 24].
Особое значение имеет изучение физической природы прочности угля и процессов, определяющих механизмы его разрушения [23].
Так разрушение углягзаключается в развитии процессов трещинообразо-вания, которые зависят от физико-механических свойств, таких как прочность, однородность и др. [24], что в свою очередь отражается в особенностях процессов АЭ.
Закономерности акустической эмиссии образцов угля при одноосном сжатии
Постановка экспериментов Объектом исследований являлся антрацит бывшей шахты «Западная». Одноосное деформирование образцов осуществлялось с постоянной скоростью нагружения и постоянной скоростью продольнойдеформации.
Данные испытания производились с помощью стабилометра БВ-21 конструкции ВНИМИ. Для измерения и записи в ходе экспериментов напряжений Т/, продольной / и поперечной ? деформаций, а также активности АЭ N использовалась компьютеризированная измерительная система, включающая тен зометрическую аппаратуру СИИТ-2 и акустико-эмиссионный измерительный комплекс A-Line 32D. Для измерения продольных и поперечных деформаций использовались по два тензометра. Поперечные деформации измерялись с помощью датчиков типа упругих колец с наклеенными тензорезисторами; продольные деформации - с помощью индикаторов часового типа. Регистрация сигналов АЭ осуществлялась пьезопреобразователем в полосе частот от 30 до 500 кГц. Рассчитывались значения объемной деформации- \, и суммарной АЭ Nv.
На рис. 2.3 и 2.4 приведены наиболее характерные графики зависимостей между напряжениями, деформациями и активностью АЭ, полученные при деформировании образцов угля [67].
Их анализ позволяет отметить, что проявление эмиссии так же, как и изменение продольной и объемной деформаций, не монотонно. Значения активности АЭ закономерно изменяются: на соответствующих графиках имеются подъемы, спады, минимумы, максимумы, соответствующие определенным стадиям деформирования, достижению характерных пределов прочности.
В ходе экспериментов было отмечено, что значения N в угле, как правило, превышают таковые в среднем на 40 % для пластичных пород (типа каменной соли) и на порядок и более — для хрупких пород (известняк, доломит), испытанных в тех же условиях [43, 68].
Комплексный анализ зависимостей а} - єь Єу- ст1г N - а и N - Sj позволил 4 как с помощью известных методик по характерным перегибам на графиках т/ % / или Sv- Ji, так и по определенным аномалиям на графиках N- о и N - Єї вы делить четыре общие стадии деформирования угля в двух режимах: пригрузки (I), линейно-упругую (И), упруго-пластическую (III), предельного разрушения (IV).
При испытании угля с постоянной скоростью продольной деформации были отмечены еще две стадии: запредельного разрушения (V) и запредельной дезинтеграции (VI). Стадии деформирования угля отделены друг от друга на рис. 2.3 и 2.4 пунктирными линиями и обозначены римскими цифрами.
Несмотря на принципиально различные методики проведения экспериментов по их результатам можно отметить, что характер деформирования угля и проявление АЭ в нем в значительной степени одинаковы. Стадия пригрузки (I) угля сопровождается всплеском активности АЭ. В: линейно-упругой стадии (II) значения- N минимальны. Упруго-пластическая стадия (III) характеризует ся возрастанием активности АЭ. Стадия предельного разрушения (IV) сопро вождается величинами N, близкими к максимальным.
Границы перехода между описанными стадиями деформирования угольных образцов соответствуют определенным параметрам физико-механических свойств угля. Так, переход от стадии II к III означает достижение предела упругости антрацита ае. Границей между стадиями. III и IV является предел длительной прочности а{. На рис. 23, б и 2.4, б он соответствует максимуму кривой Бу, характеризующему переход от упрочнения к разрыхлению угля: Стадия IV завершается достижением предела мгновенной прочности при одноосном сжатии ас, которому, как и для других горных пород, соответствуют максимальные значения N.
При деформировании угля в режиме заданных продольных деформаций в запредельной области за спадом активности АЭ после достижения тс, сопровождающим стадию запредельного разрушения угля (V), происходит ее возрастание до значений, близких к максимальным (N тах), которые соответствуют пределу длительной прочности в данной области. В дальнейшем происходит постепенное уменьшение N до (0.3 - 0.4) N тах в процессе окончательной дезинтеграции образцов на стадии VI. В условиях деформирования угля с ё1 = const идентификация некоторых стадий данного процесса и пределов прочности является менее однозначной по сравнению с режимом нагружения при а і = const.
Большое значение в качестве информативного акустоэмиссионного параметра имеет суммарная АЭ Nr. Сопоставление зависимостей Nr - є і и al - j дает возможность идентификации некоторых стадий деформирования и пределов прочности угля. На характерном кумулятивном графике АЭ при нагружении угля с a i=const (рис. 2.5, а) выделяются два почти линейных участка с различной скоростью возрастания накопления импульсов, разделенные точкой излома, которой соответствует предел упругости угля. На типичных графиках зависимости Nv и «г/ от єі при испытании угля в режиме заданной продольной деформации (рис. 2.5, б) можно проследить четыре зоны, которые могут быть аппроксимированы линейными отрезками. Каждый из данных участков имеет свою скорость накопления сигналов АЭ (угол наклона), и между ними выделяются точки излома (перегиба). Первая и наиболее четко выраженная из этих характерных точек - это точка, соответствующая пределу упругости угля ( те). Вторая стадия, сопровождающаяся упруго-пластическими деформациями, характеризуется наибольшей скоростью роста Nr (как и в случае нагружения угля с постоянной скоростью). За ней следует точка перегиба, которая отмечает предел мгновенной прочности (предел пластичности). Третья зона возрастания суммарной АЭ находится в запредельной области и сопровождается наиболее неустойчивым ростом накопления импульсов АЭ. Данные особенности графиков Nr в рассматриваемой зоне соответствуют таковым для зависимостей а і - є і и, по-видимому, характеризуют переход к спонтанному самоподдерживающемуся разрушению в запредельной области деформирования. Точка излома, предваряющая последнюю стадию более медленного, чем на предыдущей стадии, роста суммарного числа акустических импульсов, соответствует пределу остаточной прочности угля ст0.
Закономерности акустической эмиссии при монотонном нагревании образцов угля различных генетических типов
На рис. 3.1-3.6 в данной главе приведены графики зависимостей температуры Т, активности АЭ N и суммарной АЭ Nr от времени t при различных режимах циклического термического нагружения угля. Пунктирными линиями на рисунках показаны экстремальные температуры цикла нагрева /, достигаемые в цикле / + 1, и момент времени соответствующий данным температурам. Кривые зависимостей температуры от времени разбиты на участки, обозначенные на рисунках латинскими буквами от А до /.
В данном разделе будут рассмотрены участки АВ и ВС на рис. 3.1 и 3.2. До обсуждения особенностей термоэмиссионного эффекта памяти рассмотрим закономерности АЭ при монотонном нагреве образцов угля в диапазоне до 200 С. Из рис. 3.1 видно (участок АВ), что при нагреве образца антрацита до 200 С имеет место устойчивый рост N. При этом Nr увеличивается по степенному закону. На участке АВ не наблюдается каких-либо резких аномалий акустоэмиссионного поведения антрацита. При температуре около ПО С наблюдается возрастание крутизны кривой Nr, связанное с увеличением скорости накопления импульсов АЭ, что сопровождается первым значительным всплеском величины N. После этого устойчивое возрастание активности АЭ продолжается.
По-видимому, данная особенность поведения АЭ антрацита при нагреве связана с развитием микротрещин за счет начала интенсивного удаления при Т. 110 С из образцов влаги, а также возможного разложения угольного вещества с выделением оксидов углерода — СО и СО? Отметим, что снижение N наблюдается несколько раньше достижения максимальной температуры (точка В). Это связано с особенностями аппаратурной реализации эксперимента, которая не позволяла сохранять постоянную скорость нагрева вплоть до максимальной температуры (точка В). Это, в свою очередь, приводит к некоторой «размытости» пикового значения Т во времени. С началом устойчивого снижения Т на стадии остывания происходит резкий спад активности АЭ до значений нескольких импульсов в секунду. Далее в течение всей стадии остывания (участок ВС) наблюдаются преимущественно единичные редкие импульсы АЭ. Это приводит к тому, что после достижения температурой точки В вплоть до точки С значения NT возрастают незначительно.
Характер акустоэмиссионного поведения коксового угля при монотонном нагреве принципиально отличен от такового для антрацита (рис. 3.2, участок АВ). Основная-.доля дефектов коксового угля реализуется в диапазоне температур до 60 С (в начале участка АВ). Причем с начала нагрева от комнатной температуры происходит резкий подъем активности АЭ, которая принимает максимальные значения при Т = 40-50 С. После этого наблюдается быстрый спад значений N до Т. 60 С. При этом в диапазоне температур от 60 С до 200 С имеют место единичные импульсы АЭ с редкими случайными всплесками значений N до нескольких имп./с. Такой характер поведения активности АЭ определяет своеобразную (отличную от антрацита) форму кривой Nr для коксового угля, которая характеризуется перегибом при Т. 60 С. Максимальная температура, достигнутая образцом коксового угля (точка В), для случая, показанного на рис. 3.2, составляла около 210 С. При этом необходимо отметить, что образец угля был извлечен из печи при Т. 200 С, после чего происходило самопроизвольное возрастание Г образца приблизительно на 10 С в условиях комнат 108
ной температуры и свободного поступления воздуха к образцу. Этот процесс происходил с замедлением скорости роста Т при приближении к максимуму температуры, после чего начинался постепенный спад значений Т. Область вблизи пикового значения температуры в точке В, начиная, с Т. 200 С, сопровождается всплесками значений N, что, по-видимому, вызвано быстрой сменой термодинамических условий за счет резкого охлаждения и термохимическими эффектами. После достижения Т. 200 С на стадии охлаждения, (участок ВС) активность АЭ характеризуется редкими единичными импульсами, а кривая Nr становится почти горизонтальной.
Вероятно, описанное поведение АЭ коксового угля связано с его структурно-генетическими особенностями..Из рис. 3.2 видно, что при увеличении температуры от комнатной до 60 С происходит накопление количества импульсов, составляющего 70-80 -% от общего числа импульсов, накопленного на стадии? нагрева (участок АВ), что видно по поведению кривой Nr. Данных сравнительно низких температур оказывается достаточно для формирования макроразрывов, приводящих к фрагментации образца коксового угля. Однако при этом образец не теряет целостности. По-видимому, имеет место своего рода разгрузка и без того предельно ослабленного угля с потерей возможностей его активного сопротивления термическому нагружению за счет утраты несущей способности.
Отметим важное специфическое свойство углей — самонагревание, которое наиболее ярко проявлялось в проведенных экспериментах с коксовым углем, степень метаморфизма которого меньше по сравнению с антрацитом а пористость, трещиноватость и неоднородность значительны. Самонагревание (и последующее самовозгорание) угля происходит за счет окисления угольного вещества, сопровождающегося генерацией тепла, в результате адсорбции кислорода воздуха, который химически связывается углем. Химическая активность угля характеризуется-скоростью сорбции кислорода [82].
Возможности использования методов статистической обработки экспериментальных данных для анализа динамики- акустической эмиссии при деформировании образцов угля
Методика оценкифизико-механических свойств, напряженно-деформированного состояния угля и воздействовавших на-него температур на основе акустоэмиссионных измерений на образцах 4.1. Анализ современных возможностей различных методов для изучения физико-механических свойств и напряженно-деформированного состояния угля Различные физико-механические свойства углей могут быть в принципе определены с использованием множества существующих стандартных методик для горных пород, если угли отвечают их условиям. К физико-механическим свойствам в инженерной практике часто относят комплекс свойств, включающий механические свойства (деформационные, прочностные, реологические), плотность и пористость пород [3]. Однако отмечавшиеся особенности углей как материалов требуют совершенствования применяемых методов исследования и учета в них требований, диктуемых спецификой угля. Существуют специально разработанные для углей методы определения физико-механических свойств, например, прочностных [83]. Механические свойства углей могут также определяться в натурных условиях. Например, одним из специальных методов определения модуля деформации является метод восстановления давления массива горных пород. Так, с помощью давильной установки, размещенной в нише угольного пласта, получают график «напряжение - деформация», по которому определяют модуль деформации. Полученные результаты показали, что деформирование угольного пласта имеет явно выраженный нелинейный характер [84]. Исследования горных пород в условиях естественного залегания часто очень важны, однако они более трудоемки. Естественно, что физико-механические свойства углей оказывают наряду с множеством других факторов важное влияние на характеристики напряженного состояния угля и развитие в нем деформационных процессов. Различные методы изучения механических свойств и напряженно-деформированного состояния горных пород достаточно полно охарактеризованы и проанализированы во многих работах, например, [3, 21,24,84-87].
Геологические методы качественной оценки напряженного состояния горных пород основаны на изучении трещиноватости массива, исследовании микроструктуры геоматериалов.
Все остальное многообразие существующих способов определения и оценки напряженно-деформированного состояния горных пород можно разделить на механические и физические (геофизические) методы. Первые основаны на измерении деформаций, а вторые - на изучении различного рода физических свойств горных пород, или- характеристик физических полей в них. Недостатками всех механических методов являются их высокая трудоемкость и значительные объемы ручных и подготовительных работ. Это затрудняет автоматизацию измерительных процессов. Физические методы могут быть активными, использующими искусственно создаваемые физические поля различной природы, и пассивными, основанными на регистрации естественных полей в горных породах или вновь возникающих под влиянием изменения напряжений. Для использования физических методов оценки напряженно-деформированного состояния массива часто необходимо знание тарировочных зависимостей между параметрами- физического поля и напряженным состоянием горных пород, которые могут быть получены в лабораторных или полевых условиях. Физические методы значительно менее трудоемки. Они позволяют оперативно получать информацию о состоянии массива за счет автоматического и непрерывного контроля, универсальности оборудования. Данные методы используют без нарушения технологических циклов. Некоторые из них являются бесконтактными. Однако часто геофизические методы позволяют оценивать напряженное состояние лишь качественно и дают значительные погрешности в процессе измерений.
Кроме того, существует ряд методов качественного анализа напряженного состояния породного массива, основанных на оценке параметров различных технологических процессов горного производства (усилия подачи бурового инструмента на забой скважины, степени выхода и фракционного состава керна и т.п.), а также методов с использованием вдавливания пуансонов в стенку (забой) скважины и различных прочностномеров [86]. К основным группам методов механических измерений напряженно-деформированного состояния горных пород можно отнести: 1) методы разгрузки; 2) компенсационные методы; 3) метод гидроразрыва скважин.
Методы разгрузки существуют в двух вариантах: частичная и полная разгрузка. Метод разгрузки является способом определения абсолютных значений напряжений. Сущность метода заключается в измерении упругих деформаций элемента массива горных пород при разгрузке этого элемента от действовавших в нем напряжений и упругом восстановлении им первоначальных (не измененных напряжениями) формы и размеров [86]. Частичная разгрузка позволяет измерять напряжения на обнаженных поверхностях. Измерения напряжений при полной разгрузке могут производится как на обнаженной поверхности, так и в скважинах (в глубине массива). Различают два варианта полной разгрузки керна в скважине: метод разгрузки торца скважины (схема ВНИМИ) и метод разгрузки керна с центральной скважиной или вариант соосных скважин (схемы Хаста и Лимана). В схеме Хаста используются деформометры, в схеме Лимана — на стенки центральной опережающей скважины наклеивают тензодатчики. Схемы ВНИМИ и Хаста применяют наиболее часто. Для использования методов разгрузки необходимо знание упругих характеристик пород (модуля упругости и коэффициента Пуассона). Для вычисления действующих напряжений по измеренным деформациям используется математический аппарат теории упругости. Это обуславливает определенную ограниченность данного метода. Основа расчетного аппарата является полуэмпирической из-за отсутствия решения объемной задачи о распределении напряжений вокруг торца скважины. Метод использует предположение о сплошности, однородности и изотропности породного массива, а также малости деформации восстановления
