Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния вопроса. Существующие методы разупрочнения горного массива (обзор литературных источников) 9
2. Общее представление о механизме адсорбционного понижения прочности твердых тел 26
2.1. Основные механизмы распространения адсорбционно-активных сред и кинетика роста трещин разрушения
2.2. Условия, обеспечивающие доставку ПАВ к вершине трещины. Капиллярное и другие течения среды в трещине
2.3. Растекание среды по поверхности стенок трещины
2.4. Условия растекания жидкости на твердой поверхности
2.5. Поглощение среды стенками трещины
2.6. Поверхностная диффузия адсорбционно-активных веществ. Проникновение среды в вершину трещины разрушения.
2.7. Зарождение трещин при адсорбционном понижении прочности. Условия образования трещин в пласте
2.8. Влияние ПАВ на смачивание
2.9. Поверхностно-активные вещества
2.10. Оценка величины сорбции смачивателя углем при обработке горной
массы и массива
3. Методики определения сорбции ПАВ и крепости угля 56
3.1. Методика определения сорбции ПАВ 3.1.1 Общие положения
3.1.2. Выбор способа определения концентрации ПАВ
3.1.3. Погрешность измерения сорбции ПАВ углем и определение рациональных условий измерения
3.1.4. Погрешность определения концентрации ПАВ
3.1.5. Погрешность определения разности концентраций до и после сорбции
3.1.6. Уменьшение дополнительных погрешностей измерения концентрации ПАВ
3.2. Методика определения крепости угля 3.2.1. Методы определения крепости угля
3.2.2 Методика определения крепости угля по ГОСТ 21153.1—75
4. Исследование сорбционной емкости углей 83
4.1. Выбор ПАВ
4.2. Исследование впитывания углем воды и растворов ПАВ
5. Исследование влияния сорбции ПАВ углем на его прочность 99
6. Область использования результатов исследований 110
6.1. Технология обеспыливающей влагохимреагентной обработки угольного массива
6.1.1. Расчёт количества жидкости
6.1.2. Расчёт концентрации смачивателя
6.1.3. Оборудование для обработки угольного массива
6.1.4. Контрольно-измерительная аппаратура
6.2. Технология увлажнения взорванного (разрыхленного) угольного массива
6.2.1. Подготовительные работы
6.2.2. Устройство водоприемных траншей и водоприемных борозд
6.2.3. Порядок обработки массива жидкостью и описание установки для ее осуществления
6.2.4. Материалы, оборудование и способ приготовления жидкости, используемой при увлажнении
6.3. Способ разупрочнения массива на угольных разрезах
Заключение 129
Список литературы
- Условия, обеспечивающие доставку ПАВ к вершине трещины. Капиллярное и другие течения среды в трещине
- Зарождение трещин при адсорбционном понижении прочности. Условия образования трещин в пласте
- Погрешность определения разности концентраций до и после сорбции
- Технология обеспыливающей влагохимреагентной обработки угольного массива
Условия, обеспечивающие доставку ПАВ к вершине трещины. Капиллярное и другие течения среды в трещине
Открытие П. А. Ребиндером [61] явления адсорбционного облегчения деформации и разрушения твердых тел в результате понижения свободной поверхностной энергии тела на границе со средой, содержащей адсорбционно-активные вещества, обладает чрезвычайно широкой общностью и обнаруживается при любом типе межатомных взаимодействий. По сравнению с другими воздействиями внешней среды на прочность твердых тел, адсорбционное понижение прочности характеризуется рядом специфических особенностей. Важнейшие среди них: отсутствие химических реакций, весьма небольшая взаимная растворимость твердого тела и окружающей его жидкой среды, чрезвычайно малое количество адсорбционно-активного вещества по сравнению с массой твердого тела, быстрота проявления эффектов понижения прочности и пластичности.
Возможность проявления адсорбционного понижения прочности и величина наблюдаемых эффектов изменения механических свойств твердых тел сложным образом зависят от многочисленных физических, химических и механических факторов, которые целесообразно разделить на три основные группы [68].
1. Химический состав деформируемого твердого тела и окружающей среды, т. е. факторы, непосредственно определяющие характер межатомных взаимодействий и обусловливающие резко выраженную избирательность адсорбционного понижения прочности.
2. Структурные факторы — тип кристаллической решетки и, в особенности, характер и распределение разнообразных дефектов структуры, от точечных и линейных до макроскопических.
3. Условия эксперимента: температура, скорость деформации, количество адсорбционно-активного вещества и т. п. Большинство факторов этой группы влияет главным образом на кинетику процессов, происходящих при адсорбционном понижении прочности твердых тел; поэтому факторы этой группы можно определить как кинетические.
В осуществлении эффектов адсорбционного понижения прочности и пластичности решающая роль принадлежит таким процессам, как пластическая деформация, разрушение, а также распространение адсорбционно-активных веществ, которое в значительной мере и определяет специфические особенности адсорбционного понижения прочности по сравнению с другими видами разрушения твердых тел. Именно процессы распространения обеспечивают своевременное проникновение молекул среды к новой поверхности, развивающейся в твердом теле при его деформации и разрушении, и адсорбцию этих атомов на новой поверхности непосредственно в момент ее образования.
Адсорбционное понижение прочности может проявляться в нескольких формах (главным образом в зависимости от величины снижения свободной поверхностной энергии твердого тела [70]). Для каждой формы проявления адсорбционных эффектов на первый план могут выдвигаться разные механизмы распространения (переноса) адсорбционно-активного вещества. Например, при охрупчивании и снижении прочности в присутствии сильно адсорбционно-активных веществ решающее значение имеет проникновение таких веществ к поверхности зародышевых трещин; образующихся в твердом теле во время его деформации, и распространение среды по поверхности стенок макроскопических трещин разрушения, т. е. процессы распространения по поверхности твердого тела.
Влияние распространения среды на охрупчивание и понижение прочности твердых тел отражается особенно рельефно на развитии макроскопических трещин разрушения и предопределяет наиболее яркую особенность кинетики разрушения в присутствии сильно адсорбционно-активных сред — очень медленный рост таких трещин. Так, если при обычном хрупком разрушении (например, при достаточно низкой температуре) макроскопические трещины растут со скоростью, соизмеримой со скоростью звука (см., например, работу [71]), то при адсорбционном понижении прочности скорость развития трещины обычно не превышает нескольких см/с [63, 73, 74].
Столь медленное распространение трещин обусловлено тем, что в присутствии адсорбционно-активной среды они могут расти при напряжениях ниже предела прочности того же твердого тела в том же напряженном состоянии, но в отсутствие среды. В этих условиях разрушение материала может происходить лишь по мере проникновения адсорбционно-активного вещества в зону предразрушения возле вершины трещины. Поэтому кинетика роста трещин определяется не скоростью распространения упругих волн, как при обычном хрупком разрушении, а значительно более медленными процессами распространения адсорбционно-активного вещества.
Разрушение твердых тел в условиях адсорбционного понижения прочности так же, как и обычное разрушение, состоит из двух последовательных стадий: стадии пластической деформации, приводящей к появлению зародышевых трещин, и стадии распространения опасной трещины на все сечение образца [63]. В связи с этим и о роли распространения среды в адсорбционном понижении прочности удобно говорить в двух аспектах — микроскопическом (облегчение зарождения трещин) и макроскопическом (рост трещин разрушения). Роль распространения среды проявляется особенно наглядно в макроскопическом аспекте адсорбционного понижения прочности; эта группа вопросов будет рассмотрена поэтому в первую очередь.
Зарождение трещин при адсорбционном понижении прочности. Условия образования трещин в пласте
Указанные два случая остановки развития трещины не связаны непосредственно с процессами поверхностного распространения среды и по этому в рамках данного обзора не представляют особого интереса.
Третья возможная причина прекращения транспортирования среды может заключаться в том, что условия смачивания данного твердого тела допускают течение жидкости по капилляру, а растекание фазовой пленки по стенке энергетически неосуществимо. Тогда развитие трещины остановится в тот момент, когда ее объем сравняется с объемом адсорбционно активной жидкости.
Наибольший интерес представляют системы, в которых прекращение транспортирования среды вызывается ее поглощением внутрь деформируемого тела через поверхность стенок трещины во время ее роста,[73, 77]. Вполне очевидно, что та, часть адсорбционно-активного вещества, которая поглотится в образец, уже не обладает необходимой подвижностью и не сможет поэтому принять участие в дальнейшем развитии трещины. Отсюда следует, что трещина остановится, когда впитается вся жидкость, нанесенная на поверхность деформируемого образца. Поэтому чем быстрее идет транспортирование жидкости вдоль стенок трещины и чем медленнее поглощается жидкость внутрь образца, тем «продуктивнее» будет использовано исходное количество адсорбционно-активного вещества для облегчения развития трещины. В этих условиях конечная длина трещины будет определяться соотношением скоростей двух конкурирующих процессов, одним из которых является транспортирование среды по поверхности стенок трещины, а другим — впитывание (поглощение) среды через поверхность стенок [73, 77].
Поглощение среды осуществляется несколькими способами. Важнейшую роль играют здесь образование и развитие в стенках основной макротрещины сети боковых микротрещин и многочисленных двумерных дефектов и последующее распространение среды вдоль этих трещин и дефектов механизмом капиллярного проникновения и поверхностной диффузии. Вместе с тем может вносить известный вклад и обычная объ-ємная диффузия, поскольку разрыхление стенок вызывает значительное увеличение площади контакта между средой и твердым телом. Раздельное изучение каждого из этих процессов сопряжено с очень большими экспериментальными затруднениями, преодолеть которые до сих пор не удавалось. В связи с этим наиболее перспективный способ оценки впитываемой массы сводится к следующему формальному приему. Все процессы переноса (капиллярное течение, поверхностная и объемная диффузия) описываются в первом приближении одинаковой зависимостью от времени: поглощенная масса пропорциональна / [78, 93]. Благодаря этому оказывается возможным условно рассматривать всю совокупность перечисленных процессов как квазиобъемную диффузию с некоторым эффективным коэффициентом Di, который, разумеется, значительно выше коэффициента диффузии в неискаженную кристаллическую решетку твердого тела. Тогда количество вещества, отводимого с единицы площади поверхности стенки, будет пропорционально произведению CQD где Со — концентрация диффундирующего вещества в поверхностном слое [93].
В рамках такого приближения удается найти количественную зависимость длины трещины разрушения L от массы адсорбционно-активного вещества т. При этом оказывается, что характер зависимости L = = L (т) целиком определяется законом распространения адсорбционно-активной среды по поверхности стенок трещины на основном этапе ее роста [77]. Так, в системах, где основной этап лимитируется капиллярным течением и рост трещины идет по закону / = a \t " конечная длина трещины с точностью до коэффициента порядка единицы определяется соотношением /, = №ф(СМ Ч »№Т = iV - (2.12)
Вместе с тем на основе описанной схемы удается объяснить влияние на размер трещины таких факторов, как температура, скорость иагружения, уровень приложенных напряжений. Так, увеличение скорости нагружения и перегрузки, обычно приводят к уменьшению длины трещины, что вызывается главным образом более сильным разрыхлением стенок основной трещины и ее ветвлением и, как следствие, ускорением поглощения адсорбционно-активного вещества. Повышение температуры также приводит в ряде случаев к укорачиванию трещины разрушения.
Необходимо заметить, что развитая схема конкуренции распространения жидкости по твердой поверхности и ее поглощения в объем образца полностью приложима к процессам растекания жидкости по твердой поверхности в отсутствие механических напряжений. Единственное отличие, состоит в том, что в последнем случае поглощение жидкости происходит только за счет ее диффузии в объем материала-подложки.
Погрешность определения разности концентраций до и после сорбции
Большинство современных методов управления смачиванием в различных технологических процессах основано на применении соответствующих поверхностно-активных веществ (ПАВ) — веществ, которые могут адсорбироваться на поверхности раздела фаз, снижая ее поверхностное натяжение. Влияние ПАВ на смачивание определяется не только химической природой контактирующих веществ и самого ПАВ. Большую роль играют и такие факторы, как температура, скачок электрического потенциала на границе раздела фаз, особенности реальной структуры твердой поверхности и т. д.
Свойство ПАВ понижать поверхностное натяжение на той или иной жидкой или твердой поверхности раздела в результате его адсорбции на этой поверхности называется поверхностной активностью. Для большинства ПАВ присуще линейное строение молекул, в котором длина значительно превышает поперечные размеры. С увеличением углеводородного радикала поверхностная активность веществ возрастает.
Одна часть таких линейных молекул состоит из групп, родственных по своим свойствам молекулам растворителя, а другая — из радикалов, по свойствам резко отличных от молекул растворителя. В соответствии с этим один конец молекул представляет собой гидрофобный водородный радикал, характеризующийся слабыми побочными валентными силами, а другой — гидрофильные или полярные группы, обладающие резко выраженными валентными силами.
Действие растворимых поверхностно-активных веществ обусловлено возникновением на поверхности раствора мономолекулярного слоя, обогащенного компонентами, обладающими менее интенсивными полями молекулярных сил притяжения, т. е. теми компонентами, которые обладают меньшей свободной энергией собственной поверхности.
Силой, вызывающей и поддерживающей градиент концентрации у поверхности, является сила, притягивающая поверхностные молекулы внутрь жидкости. Представим, что в растворе — смеси двух веществ, молекулы которых отличаются интенсивностью полей сил притяжения, приходящихся на одинаковые площади поверхности молекул, внезапно образовалась свежая поверхность. В момент появления поверхности состав раствора внутри жидкости и вблизи ее одинаков.
Затем молекулы с поверхности начнут втягиваться внутрь, причем молекулы, обладающие более интенсивными силовыми полями, будут испытывать более сильное притяжение и будут втягиваться быстрее, чем другие молекулы, концентрация которых вблизи поверхности таким образом повышается. Тепловое движение молекул внутри жидкости стремится восстановить равенство концентраций во всей системе, но вследствие разности скоростей втягивания молекул внутрь жидкости не может осуществить это в полной мере.
Окончательные равновесные концентрации, устанавливающиеся через некоторый промежуток времени (для одних ПАВ это доли секунды, для других это часы), определяются равновесием между осмотическими силами или диффузией, стремящейся выровнять концентрацию, и поверхностными молекулярными силами, стремящимися построить поверхность целиком из того компонента, который обладает наименьшей поверхностной энергией.
Степень влияния ПАВ на смачивание определяется прежде всего тем, на какой поверхности раздела фаз, участвующих в смачивании, происходит их адсорбция. В практике встречаются следующие случаи.
При предварительной адсорбции ПАВ на твердой поверхности, адсорбции, осуществляемой заранее до соприкосновения подложки с жидкостью, качественно меняется характер контактного взаимодействия данного материала со смачивающей жидкостью. На практике этот метод управления смачиванием используется в случае, когда по каким-либо причинам нельзя влиять заранее на поверхностные свойства жидкости.
При адсорбции ПАВ на поверхности раствора, происходящей до ее контакта с твердым телом, снижается поверхностное натяжение жидкости, в результате чего изменяется краевой угол при контакте с твердым телом. Этот метод управления смачиванием применяется в тех случаях, когда нельзя заранее изменить поверхностные свойства твердого материала.
При адсорбции ПАВ, растворенных в жидкости, на поверхности твердого тела во время смачивания изменяется межфазное поверхностное натяжение. Этот метод широко используется в различных технологических процессах, в том числе во флотации и при гидрообеспыливании.
Технология обеспыливающей влагохимреагентной обработки угольного массива
Все основные исследования производились с углем марки Ж, полученным из пласта Е5 (Елбанский), отрабатываемого на филиале «Шахта «Осинниковская» ОАО ОУК «Южкузбасс-уголь». Шахта отнесена к опасной по взрывам угольной пыли, опасной по выбросам угля и газа, опасной по горным ударам. Горизонт отработки -160 м, глубина отработки. -550 м от поверхности. По данным [41] прочность угля - 2 - 4,5 (по Протодьяконову), по нашим исследованиям - менее 1 (по Протодьяконову). Пласт трещиноватый. Пласт Е5 имеет следующие характеристики: вынимаемая мощность пласта с пропластком - 3,2 м; угол падения - 0-8; влажность угля - 2,4%; зольность - 10,8%; выход летучих - 32,2 %; удельное пылевыделение - 1100 г/т.
Образцы угля размером 20 - 40 мм, в соответствии с методикой ГОСТ 21153.1—75, помещались на половину в емкости, заполненные раствором ПАВ или чистой водой. По прошествии 3-7 суток извлекались из раствора, доводились до воздушно-сухого состояния и разрушались по упомянутой методике. Концентрация раствора рассчитывалась из условия, что концентрация и объем раствора должны быть такими, чтобы обеспечить сорбционную емкость угля по ПАВ равную 30, 100 и 200 г/т. Для обеспечения максимальной, сорбции ПАВ углем концентрация раствора бралась заведомо больше расчетной.
Необходимая концентрация раствора рассчитывалась следующим образом. Пусть С - концентрация смачивателя в растворе, %; тр — объем (масса) раствора, мл; Му - масса образцов угля помещенных в раствор, г; qc - сорбционная емкость угля по смачивателю, г/т. Количество смачивателя сорбированного углем будет Мс = Му -цс -1(Г6г. Такое количество смачивателя должно содержаться в растворе при увлажнении. Тогда концентрация раствора должна быть: С -ІООУо " 10"-100% f5n Шр тр v J Например, если сорбционная емкость угля равна qc = 30г/т = 30 10" г/г, масса угля Му= 60г, масса раствора тр— 250г, то концентрация смачивателя должна быть: 60-зо-ю- .100% = б-з-ю %= ., 250 250 l ; При такой концентрации раствора весь смачиватель сорбируется в 60г угля из раствора, равного 250мл или 250г. При сорбционной емкости угля qc = 100г/т, концентрация смачивателя должна быть 2,4 10"3%, при qc = 200г/т, С 4,8 10"3% в 250 г. раствора. Концентрации готовились, используя маточный раствор и разбавление его водой до величины С.
Используя приведенный расчет и разбавление маточного раствора, получали концентрации раствора для проведения эксперимента. Если раствора бралось больше, то всегда в нем содержалось такое количество ПАВ, которое обеспечивало заданную сорбционную емкость угля по ПАВ. В опытах с максимальной сорбционной емкостью угля по ПАВ концентрация раствора и его количество было заведомо больше расчетных. При этом уголь отбирал столько ПАВ, сколько позволяла его сорбционная емкость (табл. 5.1).
В опытах по определению прочности угля, отвечающей максимальной сорбционной емкости, последняя измерялась многократно. Результаты представлены в табл. 5.1. Таблица 5.1 показывает разброс значений сорбции от пробы к пробе. В среднем максимальная сорбция равна 316,4 г/т, с коэффициентом вариации равным 12,9%.
Коэффициент крепости угля, соответствующий измеренной максимальной сорбционной емкости, составил в среднем 0,56 (табл. 5.2). Зависимость коэффициента крепости от сорбционной емкости угля по ПАВ, приведенная в табл. 5.2, показывает снижение крепости с ростом количества сорбированного углем ПАВ. Каждое значение крепости угля в таблице является средним из 20 измерений с погрешностью менее 15%. раствора заданной концентрации, рассчитываемой по формуле (5.2) и с учетом полученного значения максимальной сорбционной емкости угля.
После сорбции смачивателя углем и определения его крепости остаточная концентрация раствора определялась экспериментально по упомянутой методике и составила для расчетных концентраций 100 г/т и 200 г/т, соответственно 111 г/т и 189 г/т.
Из представленных результатов (табл. 5.2. и 5.3, рис. 5.1 и 5.2) следует, что при максимальной сорбционной емкости угля равной 316 г/т, снижение крепости составило около 1,8 раза по сравнению с крепостью неувлажненного угля и 1,35 раза по сравнению с крепостью угля, поглотившего 30 г смачивателя одной тонной угля (сорбционная емкость угля qc = 30 г/т). Такая сорбционная емкость угля имеет место при концентрации смачивателя равной 0,1% и при удельном расходе раствора, равном 30 л/т. Это реально существующие цифры (удельный расход раствора, как правило, меньше 30 л/т.).
