Особенности влияния высокочастотного воздействии на характер разрушения угля
Обобщены и проанализированы результаты исследований по оценке влияния ультразвукового воздействия на изменение свойств и характер разрушения угольных образцов. Рассмотрены результаты исследований по оценке влияния ультразвукового воздействия на физико-механические и газодинамические свойства угольно...
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Назва видання: | Геотехническая механика |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53662 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Особенности влияния высокочастотного воздействии на характер разрушения угля / С.П. Минеев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 97. — С. 218-231. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-53662 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-536622014-01-26T03:11:35Z Особенности влияния высокочастотного воздействии на характер разрушения угля Минеев, С.П. Обобщены и проанализированы результаты исследований по оценке влияния ультразвукового воздействия на изменение свойств и характер разрушения угольных образцов. Рассмотрены результаты исследований по оценке влияния ультразвукового воздействия на физико-механические и газодинамические свойства угольного образца различной степени выбросоопасности, газонасыщения и с учетом изменения напряженного состояния. Установлена закономерность эффективных частот воздействия на уголь в зависимости от размеров дефектных структур в нем. The results of researches are generalized and analyzed as evaluated by influence of the ultrasonic affecting change of properties and character of destruction of coal standards. The results of researches are considered as evaluated by influence of the ultrasonic affecting physical, mechanical and gas-dynamic properties of coal standard of different degree of danger of rock outbid rust, gassings and taking into account the change of the tense state. Conformity to law of effective frequencies of affecting is set coal depending on the sizes of imperfect structures in it. 2012 Article Особенности влияния высокочастотного воздействии на характер разрушения угля / С.П. Минеев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 97. — С. 218-231. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53662 622.831.322 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Обобщены и проанализированы результаты исследований по оценке влияния ультразвукового воздействия на изменение свойств и характер разрушения угольных образцов. Рассмотрены результаты исследований по оценке влияния ультразвукового воздействия на физико-механические и газодинамические свойства угольного образца различной степени выбросоопасности, газонасыщения и с учетом изменения напряженного состояния. Установлена закономерность эффективных частот воздействия на уголь в зависимости от размеров дефектных структур в нем. |
| format |
Article |
| author |
Минеев, С.П. |
| spellingShingle |
Минеев, С.П. Особенности влияния высокочастотного воздействии на характер разрушения угля Геотехническая механика |
| author_facet |
Минеев, С.П. |
| author_sort |
Минеев, С.П. |
| title |
Особенности влияния высокочастотного воздействии на характер разрушения угля |
| title_short |
Особенности влияния высокочастотного воздействии на характер разрушения угля |
| title_full |
Особенности влияния высокочастотного воздействии на характер разрушения угля |
| title_fullStr |
Особенности влияния высокочастотного воздействии на характер разрушения угля |
| title_full_unstemmed |
Особенности влияния высокочастотного воздействии на характер разрушения угля |
| title_sort |
особенности влияния высокочастотного воздействии на характер разрушения угля |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/53662 |
| citation_txt |
Особенности влияния высокочастотного воздействии на характер разрушения угля / С.П. Минеев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 97. — С. 218-231. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT mineevsp osobennostivliâniâvysokočastotnogovozdejstviinaharakterrazrušeniâuglâ |
| first_indexed |
2025-07-05T05:02:03Z |
| last_indexed |
2025-07-05T05:02:03Z |
| _version_ |
1836781901140983808 |
| fulltext |
218
УДК 622.831.322
Д-р техн. наук С.П. Минеев
(ИГТМ НАН Украины)
ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ВОЗДЕЙСТВИИ
НА ХАРАКТЕР РАЗРУШЕНИЯ УГЛЯ
Обобщены и проанализированы результаты исследований по оценке влияния ультразву-
кового воздействия на изменение свойств и характер разрушения угольных образцов. Рас-
смотрены результаты исследований по оценке влияния ультразвукового воздействия на фи-
зико-механические и газодинамические свойства угольного образца различной степени вы-
бросоопасности, газонасыщения и с учетом изменения напряженного состояния. Установле-
на закономерность эффективных частот воздействия на уголь в зависимости от размеров де-
фектных структур в нем.
FEATURES OF INFLUENCE HIGH-FREQUENCY AFFECTING
CHARACTER OF DESTRUCTION OF COAL
The results of researches are generalized and analyzed as evaluated by influence of the ultra-
sonic affecting change of properties and character of destruction of coal standards. The results of
researches are considered as evaluated by influence of the ultrasonic affecting physical, mechanical
and gas-dynamic properties of coal standard of different degree of danger of rock outbid rust, gas-
sings and taking into account the change of the tense state. Conformity to law of effective frequen-
cies of affecting is set coal depending on the sizes of imperfect structures in it.
В последнее время считается, что одним из достаточно эффективных спосо-
бов управления газодинамической активностью угольного массива является
волновое воздействие на пласт. Существуют методики воздействия волновыми
полями разной природы как на макроуровне [1 -6], так и микро, например на
микроструктуру угольного вещества [7 -10]. Вместе с этим, нет однозначного
мнения по оценке эффективности применения виброволнового воздействия с
учетом изменения частотного режима, в частности, использования высокочас-
тотного, например, каким является ультразвуковое воздействие (УЗВ). Поэтому
в данной статье автор попытался обобщить имеющиеся в литературе [1 -16]
данные и проанализировать результаты проведенных экспериментов. В частно-
сти, предполагается рассмотреть результаты исследований по оценке влияния
УЗВ на физико-механические и газодинамические свойства угольного образца
различной степени выбросоопасности, газонасыщения и с учетом изменения
напряженного состояния, которые рассмотрим ниже.
Влияние УЗВ на разрушение не газонасыщенного угольного образца в воз-
душной среде. В ИГТМ НАН Украины совместно с МакНИИ для оценки харак-
тера разрушения образцов угля при УЗВ во времени провели эксперимент по
следующей методике. Подготавливались 3 образца размером 50×50×50 мм, ко-
торые предварительно взвешивались, а каждый испытываемый образец поме-
щался под ультразвуковой генератор диспергатора с резонансной частотой
15 кГц, при мощности – 400 Вт. Рабочая поверхность диспергатора прижима-
лась к образцу с усилием в 10 кг. Взвешивание при УЗВ осуществлялось через
каждую минуту [7, 11].. По формулам вычислялось относительное изменение
массы угольного образца и скорости его разрушения вычислялось по форму-
219
лам: ,%
m
mΔ
=ϕ , ,
τ
ϕυ = где mΔ - масса разрушенной части образца; т - пер-
воначальная масса образца; τ - время воздействия ультразвука на угольный
образец. Результаты эксперимента представлены на рис. 1.
а б
Рис. 1 - Разрушение в воздушной среде ненапряженных угольных образцов во времени: а
- степень разрушения; б - скорость разрушения; 1, 2, 3 - соответственно, разрушение образ-
цов 1, 2 и 3
Анализ полученных результатов показывает, что разрушение угольных об-
разцов при УЗВ в течение 5-8 мин практически не наблюдается. При дальней-
шем УЗВ на образец степень разрушения угля возрастает, в то же время ско-
рость разрушения при УЗВ возрастает в начальный период (первые 6-10 ми-
нут), а затем начинает уменьшаться.
Оценка влияния газонасыщения угольного образца на параметры его разру-
шения при УЗВ. Методика проведения исследований заключалась в следую-
щем. Образцы угля в виде призм с размерами 40×35×35 мм помещались камеру
стенда, представляющую собой толстостенный, герметически закрывающийся
цилиндр (шахтная стойка) с внутренним объемом 238,8 см3, таким образом,
чтобы направление излучения было параллельно напластованию, а постоянный
контакт излучателя с образцом осуществлялся с постоянной силой. Камера
имела отверстия для подачи газа и излучателя диспергатора.
В первой серии эксперименты предусматривалось, что камеру с угольным
образцом, предварительно взвешенным и измеренным, герметически закрывали
и в нее закачивали газ (углекислый или азот). Давление в камере поддержива-
лось равным 1,6 МПа в течение 1 часа. Затем в камере сбрасывалось давление
газа и осуществлялось УЗВ на уголь в течение 3 минут с частотой 15 кГц. По-
сле УЗВ камера разгерметизировалась и образец выдерживался в воздушной
среде и повторно взвешивался. Эксперименты второй серии проводились ана-
логичным образом, но в камеру перед ее герметизацией заполняли водой. Ре-
зультаты проведенных экспериментов представлены на рис. 2.
220
Рис. 2 - Воздействие активного газа на степень разрушения угля при УЗВ в различных
средах: 1 – азот; 2 – углекислый газ; 3 – азот + вода; 4 – углекислый газ + вода
Анализ показал, что в первой серии экспериментов степень и скорость раз-
рушения образцов, насыщенных углекислым газом, в 4 раза выше, чем образ-
цов, насыщенных азотом - причем образцы, насыщенные углекислым газом в
ходе эксперимента раскалывались на крупные куски. Во второй серии - наличие
воды привело к понижению степени и скорости разрушения, но, тем не менее,
эти показатели для образцов, насыщенных углекислым газом - в 1,5 раза выше,
чем для угольных образцов, насыщенных азотом.
Влияние УЗВ на угольный образец, размещенный в жидкости. Наблюдения
за разрушением угля осуществлялись в эксперименте с изменением расстояние
между излучателем ультразвука и образцом, размещенным в воде. Разрушение
угольного образца осуществлялось с помощью ультразвукового диспергатора
типа УЗДН-1, настроенного на резонанс - 15 кГц, Угольный образец, предвари-
тельно взвешенный, помещался в сосуд с водой и подвергался УЗВ в течение
300 с через промежуточный слой воды, толщиной от 0 до 10 мм. Затем образец
опять взвешивался и определялось изменение его массы. В результате УЗВ на
уголь наблюдались незначительные изменения образца, но при этом вода оста-
валась прозрачной.
Далее УЗВ источник ультразвука (концентратор с волноводом) под действи-
ем силы тяжести прижимался, к обрабатываемому образцу, и в течение 300 с
происходило УЗВ на уголь. При этом наблюдалось помутнение жидкости, в об-
разце образовалось углубление в виде лунки глубиной 6-8 мм в месте контакта
угля с излучателем; при этом величина и форма углубления соответствовала
размерам концентратора, а степень разрушения угольного образца равнялась
1,26% (см. табл. 1).
221
Таблица 1 - Разрушение угольных образцов при различных способах УЗВ
Расстояние меж-
ду образцом и
излучателем
Время
УЗВ, с
Изменение
веса после
опыта, г
Степень
разруше-
ния, %
Скорость
разруше-
ния, %/сек.
Напряжения
в образце,
МПа
контакт
2,0
5,0
10,0
30 0
30 0
30 0
30 0
1,55
1,26
0,08
0
1,26
0,56
0,03
0
0,00420
0,00186
0,00012
0
-
-
-
-
контакт
2,0
5,0
10,0
30 0
30 0
30 0
30 0
1,20
0,90
0
0
1,74
1,30
0
0
0,0058
0,0043
0
0
4
4
4
4
Контакт
2,0
5,0
10,0
30 0
30 0
30 0
30 0
1,51
1,00
0
0
1,818
1,204
0
0
0,0061
0,0040
0
0
8
8
8
8
Следующим этапом было УЗВ на напряженный образец. Как и ранее, рас-
стояние между излучателем и угольным образцом изменялось в пределах 0-
10 мм. Время ультразвукового воздействия на образец 300 с, а напряжения в
образцах создавались равными 4 и 8 МПа.
При уменьшении расстояния между угольным образцом и излучателем (ме-
нее 0,5 мм) наблюдается помутнение воды; при непосредственном контакте уг-
ля с концентратором появляется лунка глубиной 8-10 мм. Результаты получен-
ных данных приведены в виде графика на рис. 3.
Рис. 3 - Степень разрушение угольных образцов УЗВ при различном расстоянии между
излучателем и образцом и разных величинах напряжений в образце: 1 – ненагруженные об-
разцы; 2 – напряжения в образце 4 МПа; 3 – напряжения в образце 8 МПа
Экспериментальные данные показывают, что при обеспечении надежного
контакта независимо от состояния образца (напряженный или не нагружен-
ный), интенсивность УЗВ ослабевает с увеличением расстояния от излучателя,
при контактном способе достигается более полная передача ультразвуковой
энергии угольному образцу.
Влияние УЗВ на напряженные угольные образцы при двухосном сжатии.
Изучение УЗВ на угольные образцы при изменении, напряженного состояния в
них во времени осуществлялось с помощью установки УЗДН-1 на частоте
222
15 кГц. Угольные образцы в виде кубиков со стороной 42 мм помещались в
специальное обжимное устройство, позволяющее создавать двухосное напря-
женное состояние с помощью пресса ПСУ-50. Площадь контакта образца с ка-
ждой из половин обжимного устройства равнялась 30,9 см2. УЗВ осуществля-
лось параллельно напластованию угля, а излучатель прижимался к образцу с
усилием 10 кг. Образец при УЗВ размещался в различных средах (воздух, вода
и антраценовое масло). В процессе эксперимента определялась масса разру-
шенной части образца и скорость разрушения, а также относительная величина,
характеризующая степень разрушения в процентах. Всего было проведено че-
тыре серии экспериментов с различными средами, в которые помещался испы-
тываемый образец.
В первой серии экспериментов угольные образцы нагруженные усилиями 3
– 6 т подвергались УЗВ различной продолжительностью. Результаты оценки
степени разрушения и вычисленные значения скорости разрушения сведены в
табл. 2 и приведены на рис. 4.
Таблица 2 - Разрушение угольных образцов УЗВ при двухосном сжатии
Шифр пробы Нагрузка, кгс Напряжение,
кг/см2
Время,
с.
Степень
Ния, %
Скорость
разрушения,
%/с
1
2
3
4
5
6
7
8
3000
3400
3600
3800
4000
5000
6000
6000
85,7
97,0
102,0
108,6
114,0
144,5
170,0
170,0
60
330
60
30
30
17
60
60
-
1,9
6,9
12,736
14,568
разрушение
37,293
37,38
-
0,0057
0,115
0,4245
0,4856
5,882
0,025
0,623
Рис. 4 - Разрушение угольных образцов УЗВ при двухосном сжатии: 1 – 14 МПа; 2 –
11 МПа; 3 – 9,7 МПа; 4 – 10 МПа; 5 – 9 МПа; 6 – 10 МПа
Во второй серии экспериментов при УВЗ в каждом опыте последовательно
создавались напряжения, соответствующие нагрузке 0; 1; 2; 3; 4 и 4,6 т. Полу-
223
ченные результаты приведены на рис. 5.
а
б
в
г
А б
Рис. 5 - Степень (а) и скорость разрушения угольных образцов (б) УЗВ при двухосном
сжатии и последовательным увеличением напряжений: а – без нагрузки; б – 2,9 МПа; в –
5,9 МПа; г – 8,8 МПа; 1,2,3 – соответственно, образцы 1,2,3
Графики полученных усредненных значений степени разрушения и скорости
разрушения при этих опытах изображены на рис. 6.
n, %
0 30 секt,
1,0
2
1
3
4
2,0
3,0
Рис. 6 - Средние значения степени разрушения угольных образцов УЗВ при двухосном
сжатии и последовательным увеличением напряжений: 1 – без нагрузки; 2– 2,9 МПа; 3 –
5,9 МПа; 4 – 8,8 МПа
Усредненные значения степени разрушения угольного образца, изображен-
ные на рис. 6 показывают, что с ростом напряжений в образце степень разру-
шения угля под действием ультразвука возрастает. Так, скорость разрушения
при напряжениях (0,8-0,9) сжσ на четыре порядка выше скорости разрушения
не нагруженных образцов. Также по результатам опытов можно сделать вывод
об энергозатратах на разрушение напряженных и ненапряженных угольных об-
224
разцов. Аналогичные серии экспериментов были проведены в водной среде и
антраценовом масле. Результаты этих экспериментов приведены в табл. 3.
Таблица 3 - Ультразвуковое разрушение угольных образцов при двухосном сжатии в водной
среде и в антраценовом масле
Нагрузка,
кгс
Напряже-
ние, МПа
Время, с Величина
разрушен-
ной части
Степень
разрушения,
%
Скорость раз-
рушения, %/с
в водной среде
2000 5,9 35 Полное разрушение 2,857
2400 9,63 15 Полное разрушение 6,666
4000 11,81 35 Полное разрушение 2,857
4000 11,81 25 35,99 34,667 1,386
5600 16,54 20,5 27,63 27,011 1,317
5600 16,54 16,2 42,47 41,00 2,530
5600 16,90 17,3 41,83 38,468 2,236
4000 11,34 150 - - -
6000 17,0 15 Полное разрушение -
4000 11,81 150 9,9489 9,631 0,128
5600 16,54 75 Полное разрушение 1,200
в антраценовом масле
4000 12,07 100 6,1 0,061
5600 16,91 97 Полное разрушение 0,979
4000 11,81 120 12,0 0,100
5600 16,54 90 Полное разрушение 0,978
5600 16,54 54 Полное разрушение 1,852
Как видно из таблицы 3, скорость разрушения угольного образца в воде при
критических нагрузках на порядок меньше, чем соответствующее значение
скорости разрушения в воздухе, а в антраценовом же масле скорость разруше-
ния меньше, чем в воде.
Влияние УЗВ на напряженные угольные образцы, находящиеся в сложнона-
пряженном состоянии. Изучение влияния УЗВ на уголь, находящийся в слож-
нонапряженном состоянии, осуществлялось в ИГТМ НАН Украины, а также в
НГУ и МакНИИ на специальных стендах [7, 12, 13]. В них угольный образец в
виде призмы с размерами 50×50×80 мм помещался в камеру стенда, а незапол-
ненное пространство камеры заливалось бетоном. После высушивания образца
открывалась съемная грань камеры и определялась скорость разрушения уголь-
ного образца (мм3/с). УЗВ в образце осуществлялось установкой УЗДН-1, а на-
грузку на образец создавали на прессе ПСУ-250. В процессе проведения экспе-
римента при напряжении 6,2 МПа, частоте 22 кГц и прижимном усилии дис-
пергатора к поверхности угля, равным 5 кг, происходило незначительное отше-
лушивание «чешуек» угля от поверхности образца.
225
При частоте 15 кГц (резонансная) для данного диспергатора (УЗДН-І), на-
блюдалось более интенсивное разрушение угольного образца под рабочей по-
верхностью излучателя. Так, в угольном образце по всей его длине образовы-
вался канал, диаметром, соответствующим диаметру «пятака» излучателя. По-
сле этого, диспергатор вынимался из образовавшейся полости, выдерживалось
напряжение 6,2 МПа в течение одной минуты - разрушение в этом случае не
наблюдалось. Затем рабочая поверхность диспергатора приводилась в сопри-
косновение с угольным образцом, при этом наблюдался процесс интенсивного
разрушения угля по всему его объему.
По аналогичной методике были проведены эксперименты с шестью образ-
цами при напряжении до 12,5 МПа. Результаты по оценке скорости разрушения
угольных образцов при УЗВ приведены в таблице 4 и сведены в виде графиков
на рис. 7.
Таблица 4 - Разрушение угольных образцов УЗВ в сложнонапряженном состоянии
Частота
кГц
Сила
Тока,
Нагруз-
ка, т
Напря-
жение,
МПа
Время
разру-
шения,
с
Глубина
проникно-
вения из-
луч. в обра-
зец, мм
Скорость
разрушения,
мм3/с
Образец
разрушился
на фракции,
мм
22 0,54 10 4,4 180 3 0,016 мелкодисперсная
пыль
15
15
0,54
0,56
10
12
4,4
5,3
180
60
5
15
0,027
0,44
–„–
0,2-0,5
15
15
15
0,56
0,56
0,54
12
12
14
5,3
5,3
6,2
60
60
60
18
21
50
0,53
0,61
0,83
–„–
–„–
0,5-0,8
15 0,54 22 9,7 30 50 1,66 0,8-1,2
5 0,54 28 12,5 15 50 3,33 1,0-1,5
Рис. 7 - Разрушение угольных образцов УЗВ, находящихся в сложнонапряженном состоянии:
1 – 4,5 МПа и 22 кГц; 2 – 4,5 МПа и 15 кГц; 3 – 6,2 МПа и 15 кГц; 4 – 9,8 МПа и 15 кГц; 5 –
12,5 МПа и 15 кГц
Анализ полученных данных показывает, что при увеличении нагрузки ско-
рость разрушения возрастает, достигая максимального значения при нагрузке
226
12,5 МПа. Результаты показывают, что при изменении напряжения от 0 до
4,5 МПа практически не наблюдается продвижение диспергатора вглубь уголь-
ного вещества, хотя визуально можно заметить незначительное отделение пы-
леобразных частиц, а начиная с величины напряжения 4,5 МПа скорость раз-
рушения угля резко возрастает.
Таким образом, результаты проведенных экспериментов позволяют сделать
предварительное заключение о том, что при напряжениях в образце, возни-
кающих при нагрузке до 10 т (менее 4,5 МПа), использование УЗВ для разру-
шения угольного образца сопряжено с большими энергозатратами. Скорость
разрушения угольного образца резко возрастает при напряжениях, превышаю-
щих 4,5 МПа, и увеличивается на 3-4 порядка при напряжении в угле 12,5 МПа.
Оценка влияния мощного УЗВ на разрушаемость угля. Стендовые экспери-
менты по оценке влияния мощного УЗВ на уголь были проведены в
ИПП НАН Украины на установке УРС-10 С, блок-схема и методика исследова-
ний которой описана в работе [14]. При экспериментах УЗВ осуществлялось на
частоте близкой к резонансной для установки УРС-10 С (7,8 кГц). УЗВ переда-
валось на угольный образец наконечником излучателя диаметром 21 мм. При
эксперименте излучатель УЗВ устанавливался на резонансный режим, ампли-
туда воздействия постепенно увеличивалась, доводя образец до разрушения и
развала на частицы. Образцы в виде «балочек» длиной 100 мм и поперечным
сечением 930 мм2, изготавливались из угля отобранного на пласте h7 "Смоля-
ниновский" шахты им. А.А. Скочинского.
Наблюдения за поведением напряженного угля при УЗВ показали, что раз-
рушение зависит от статической нагрузки и амплитуды колебаний. Так, интен-
сивное разрушение угольных образцов происходит, в основном, в резонансном
режиме. Амплитуда колебаний УЗВ, приводящая к разрушению угля, равнялась
(3-35) ×10-6м.
Локальное разрушение угля, происходящее при статическом сжатии нагруз-
ками, составляющими порядка 50% от предельных. При повышении статиче-
ских нагрузок до 80-90% от предельных, интенсивность и объем разрушения
увеличиваются вплоть до полного разрушения. Установленные при экспери-
ментах численные значения параметров разрушения угля УЗВ приведены в ра-
ботах [7, 12].
Анализ результатов экспериментов [7] показывает, что с увеличением стати-
ческой нагрузки, удельная энергия УЗВ, затраченная на разрушение угля,
уменьшается примерно на порядок. Причем, при одной и той же частоте, резо-
нансной для излучателя и образца, при одинаковой статической нагрузке
удельная энергия колебаний значительно изменяется с изменением амплитуды
колебаний. Чем меньше амплитуда, тем меньше удельная энергия разрушения.
Так, при наименьшей зарегистрированной при эксперименте амплитуде, равной
3,12 мкм, затраты удельной энергии составляют (0,02-0,06)×107 Дж/м3, а при
наибольшей приложенной к угольному образцу амплитуде (21,84 мкм) удель-
ная энергия разрушения уже составляет 3,85×107 Дж/м3.
Таким образом, условия и характер разрушения угля УЗВ зависят от условий
контакта излучателя с углем, напряженного состояния и возможности отраже-
227
ния волн. Интенсивность разрушения увеличивается на один-два порядка при
статическом сжатии до 80-90% от предельных нагрузок.
О возможных параметрах процессов, происходящих при УЗВ. Одним из ос-
новных параметров, определяющих целесообразность применения УЗВ для
разрушения угля является удельная энергия разрушения. Для сравнительной
характеристики энергозатрат на разрушение произведен расчет удельной энер-
гии при разрушении угля различными способами. Так, по методике, изложен-
ной в работе [15], сравнивалась энергия, выделяемая при сгорании единицы
объема (1м3) угля с удельными энергиями, необходимыми для разрушения 1м3
при комбайновой добыче и ультразвуковом разрушении. Теплота сгорания угля
равнялась ~ 6000 ккал/кг=3,1×108 Дж/м3 при плотности угля 1,3×103 кг/см3.
Удельные энергозатраты на разрушение угля при комбайновой добыче состав-
ляют ~ (1,08-3,6) ×106 Дж/м3. Средние удельные энергозатраты при ультразву-
ковом способе разрушения ненапряженного угля составляют ~ 1,62×1011 Дж/м3.
Сравнение указанных величин показывает, что энергозатраты при разрушении
ненапряженного угля на три порядка выше, чем энергия, полученная при его
сжигании, что свидетельствует о том, что использование ультразвука для целей
разрушения ненапряженного угля нецелесообразно. Для угля, находящегося в
сложнонапряженном состоянии (при σ =0,8-0,9 разрσ ) удельные энергозатраты
на разрушение на 3-4 порядка меньше и сравнимы с удельной теплотой сгора-
ния. Т.е., в принципе, возможно понижение удельных энергозатрат до величин,
сравнимых с удельными энергозатратами при механическом способе разруше-
ния.
В ходе экспериментов было установлено, что наиболее эффективная частота
для разрушения угля - резонансная для излучателя, при которой плотность
энергии максимальна и равна 50 Вт/см2. Изучение действия предварительного
газонасыщения инертным и активным газом под давлением 1,6 МПа показало,
что удельная энергия разрушения угля насыщенного СО2 в среднем в 2,7 раза
меньше, чем для угля, насыщенного N2.
Оценка влияния УЗВ на десорбционные процессы в угольном веществе.
Проведенные исследования [5- 8] показывают, что УЗВ приводит к ускорению
диффузионных процессов и десорбции газов в угольном веществе. В
ИГД им. А.А. Скочинского были проведены исследования влияния УЗВ на га-
зонасыщенные и негазонасыщенные образцы угля [6]. В сосуд высокого давле-
ния помещали угольный образец. Ультразвуковые колебания создавались маг-
нитострикционным преобразователем ПМС-6-22 с резонансной частотой 22 кГц
Насыщение образцов велось под давлением от 0,1 до 1 МПа углекислым га-
зом в течение 2-3 суток до установления адсорбционного равновесия. После на-
сыщения образцов включали генератор ультразвуковых колебаний, газ из со-
суда выпускали в большую емкость. Давление в системе измеряли при по-
мощи ртутного или водяного манометра. Результаты экспериментов приве-
дены на рис. 8. На рис. 8 представлены кривые, показывающие изменение дав-
ления в сосуде при УЗВ и без него на образцы угля в течение одного и того
же промежутка времени.
228
Рис. 8 - Газовыделение из угля при УЗВ: 1- с УЗВ; 2 – без УЗВ
Исследования влияния УЗВ на изменение состояния и свойств, образцов
угля оценивали по величине скорости звука, измеряемой прибором ДУК-20,
до и после УЗВ. Результаты изменений скорости приведены в табл. 5.
Таблица 5 - Скорость звука в выбросоопасных и невыбросоопасных углях
Скорость до УЗВ, м/с Скорость после
УЗВ, м/с
Скорость до УЗВ, м/с Скорость после
УЗВ, м/с
выбросоопасные пласты невыбросоопасные пласты
1000
1085
1091
1287
2060
1410
2260
1560
Скорость звука в угольных образцах, не подвергнутых УЗВ во время вы-
пуска газа, через некоторый промежуток времени восстанавливается до 70
% от первоначальной величины. В тех же образцах при УЗВ скорость зву-
ковых волн не меняется
В ИГТМ НАН Украины было показано [8, 10], что при энергетической по-
дпитке угольного вещества посредством волнового воздействия, например, ви-
брационного, в нем (веществе) происходят конформационные перестройки, со-
провождающимися периодическим изменением межслоевого расстояния между
графитоподобными слоями и, соответственно, существенно интенсифицирую-
щими процесс десорбции и последующей диффузии газа в угле. Причем диапа-
зон частот воздействия на уголь, приводящий к описанному эффекту, чрезвы-
чайно широк, и составляет десяти порядков. Поэтому авторами работы [8] были
выделены частоты, удовлетворяющие условию эффективности, с точки зрения
достижения максимума энергии активации конформационных переходов в
структуре угольного вещества при минимальном поглощении виброэнергии и,
конечно, доступности средств воздействии. Эти установленные диапазоны час-
тот с соответствующим уровнем поглощения приведены на графике (рис. 9).
229
0,E+00
1,E-01
2,E-01
3,E-01
4,E-01
5,E-01
6,E-01
1,0
E-03
1,1
E-01
2,1
E+0
0
3,1
E+0
1
4,1
E+0
2
5,1
E+0
3
6,1
E+0
4
7,1
E+0
5
8,1
E+0
6
9,1
E+0
7
Частота вибровоздействия,с-1
Л
ог
ар
иф
м
ич
ес
ки
й
де
кр
ем
ен
т
по
гл
ощ
ен
ия
Рис. 9 - Зависимость логарифмического декремента поглощения от частоты вибровоздей-
ствия для модели угля с содержанием углерода 87,70%.
Как видно, на кривой (рис. 9) имеются несколько пиков, свидетельствующих
о наличии диапазонов частот, на которых происходит поглощение упругих
волн. Значения величин частот для угольного вещества приведены в работе
[10].
Анализируя исследования, проведенные в рассматриваемой области, следует
отметить, что в последнее время существуют, в основном, четыре теоретичес-
ких подхода к расчету параметров вибровоздействия для интенсификации газо-
отдачи углепородного массива. Нами был построен соответствующий график
зависимостей эффективной частоты волнового воздействия (W) в зависимости
от размеров дефектных структур (А) углепородного массива, где совмещены в
основном результаты по В.А. Бобину [16]; данные по модели ИГТМ НАН
Украины [1, 2], и результаты расчетов, приведенные в работе М.В. Курлени
[17]. Такой график приведен на рис. 10.
y = -1,1356x + 12,129
0
2
4
6
8
10
12
0 2 4 6 8
Инфразвук
Звук
Ультразвук
Гиперзвук
Микропоры
Мезо-
поры
Макро-
поры Трещины Видимые трещины
lgw
lgA
Супермакропоры
: – результаты по Бобину; – результаты по модели ИГТМ НАН Украины;
▲– результаты по Курлене
Рис. 10 - График зависимости эффективной частоты волнового воздействия (W) в зави-
симости от размеров дефектных структур (А) углепородного массива
Подход ИГТМ НАН Украины и Курлени М.В. – основываются на феноме-
230
нологическом моделировании процесса вибровоздействия в углепородном мас-
сиве, два других, так или иначе, предполагают учет микроскопических эффек-
тов. При этом, если подход Бобина В.А. напрямую учитывает микроструктур-
ные параметры угля и газа, то в подходе Белоненко В.Н. [5], сделана попытка
лишь объяснить экспериментальные данные квантово-механическими эффек-
тами. Изложенные подходы дополняют друг друга при оценке эффектов вибро-
последействия в сложной иерархической структуре многофазной угольной сре-
ды и являются одинаково значимыми. При этом феноменологическая модель
ИГТМ НАН Украины наиболее разработана в теоретическом плане, в то время
как другие теоретические модели, позволяющие осуществлять расчет эффек-
тивных параметров для интенсификации газоотдачи микропористого простран-
ства угля, имеют ряд существенных упрощений указанных выше, и, кроме того,
они разработаны в недостаточной степени для применения их на практике.
Выполненное обобщение результатов исследований позволило сделать сле-
дующие выводы:
1. УЗВ на образцы угля при определенных условиях приводит к интенсифи-
кации десорбционных процессов в угле. Последнее, обусловлено тем, что виб-
рационное воздействие на угольный пласт, посредством индукцирования ре-
лаксационных процессов в молекулярной структуре угольного вещества, по-
зволяет достигать энергетических барьеров активации конформационных пере-
ходов в структуре угля, за счет чего увеличивается расстояние между графито-
подобными слоями в 1 , 5 - 4 раза и повышается коэффициент твердотельной
диффузии молекул метана в межпоровом пространстве угольного вещества, что
позволяет осуществлять эффективную десорбцию газа.
2. Установлена закономерность эффективных частот воздействия на уголь в
зависимости от размеров дефектных структур в нем.
УЗВ приводит существенному увеличению скорости звука в угольных об-
разцах. Показано, что скорость разрушения образцов, насыщенных углекислым
газом, превосходит те же показатели для образцов, насыщенных азотом.
3. Разрушение угольных образцов в водной среде снижает интенсивность
УЗВ с увеличением расстояния от излучателя до угольного образца. Так, при
расстояниях 5 мм разрушение не наблюдается в течение 300 секунд.
4. При УЗВ на угольные образцы, находящиеся в двухосно- и сложнонапря-
женном состоянии, скорость разрушения является гиперболической функцией
приложенного напряжения.
5. Удельная энергия разрушения ненапряженного угля при УЗВ составляет ~
1011 Дж/м3, что на три порядка выше удельной теплоты, выделяемой при сжи-
гании угля ~ 108 Дж/м3. Энергозатраты на разрушение угля при напряжениях
.)9,08,0( разрσσ −= на три-четыре порядка меньше, чем соответствующие энергоза-
траты на разрушение ненагруженного угля. Т.е. они сравнимы с удельными
энергозатратами при механическом разрушении.
6. При выполнении оценки выбросоопасности десорбометрическим спосо-
бом УЗВ позволяет ускорить процесс измерений и повысить надежность.
231
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Потураев В.Н., Минеев С.П. Использование вибрационных и волновых эффектов при отработке выбро-
соопасных пластов.- Киев: Наукова думка, 1993.- 143 c.
2. Потураев В.Н., Минеев С.П. Пульсационные и волновые эффекты в горном массиве. – К.: Наук. думка,
1993.- 143 c.
3. СОУ 10.1.00174088.011-2005 Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим
явлениям. – Киев: Минуглепром Украины, 2005. – 225 с.
4. Докукин А.В. Основные проблемы горной науки.- М.: Недра, 1979.- 383 с.
5 Белоненко В.Н. Пути повышения рентабельности разработки малых месторождений нефти / Н. Белонен-
ко, М.В.Павлов // Нефтепромысловое дело, 2002, №11.- С. 45-48.
6. Снижение выбросоопасности при динамическом воздействии на угольный массив/ Н.Ф.Кусов и др.- М.:
Наука, 1985. – 184 с.
7. Минеев С.П. Свойства газонасыщенного угля. – Д.: НГУ, 2009- 220 с.
8. Минеев С.П., Прусова А.А., Корнилов М.Г. Активация десорбции метана в угольных пластах.- Днепро-
петровск, Вебер, 2007.- 252 с.
9. Алексеев А.Д. Физика угля и горных процессов / А.Д. Алексеев. – К.: Наук. Думка, 2010. -424 с.
10. Корнилов М.Г. Обоснование параметров вибрационного воздействия на микросорбционное пространст-
во угля для эффективной десорбции газа.- Д.: ИГТМ НАН Украины, 2008. – 22 с.
11. Большинский М.И. Теория внезапных выбросов угля, породы и газа. Донецк: ДонТУ, 1993.- 139 с.
12. Роенко И.А., Шарипова С.П. Анализ энергоемкости разрушения угольного пласта физико-
механическим способом // Геомеханика управления состоянием напряженного газонасыщенного массива.- К.:
Наукова думка, 1985.- С. 26-29.
13. Зорин А.Н., Халимендик Ю.М., Колесников В.Г. Механика разрушения горного массива и использова-
ние его энергии при добыче полезных ископаемых.- М.: Недра, 2001.- 413 с.
14. Усталостные испытания на высоких частотах нагружения / Под редакцией В.А. Кузьменко.- Киев: Нау-
кова думка, 1979.- 336 с.
15. Нетрадиционные технологические процессы добычи угля / В.Н. Потураев, С.А. Полуянский, А.Н. Зорин
и др. – Киев: Техника, 1986. -117 с.
16. Бобин В.А. Сорбционные процессы в природном угле и его структура, 1987.- 136 с.
17. Курленя М.В. Геомеханика и техносфера / М.В. Курленя. –Новосибирск: Наука, 2004.- 131 с.
УДК 539.4
Канд. физ. мат. наук Ю.А. Костандов,
инж. В.С. Медведев,
(ТНУ им. В.И. Вернадского)
ВЛИЯНИЕ ОРИЕНТАЦИИ НАЧАЛЬНОЙ ТРЕЩИНЫ
И КОНТАКТНОГО ТРЕНИЯ НА РАЗРУШЕНИЕ ХРУПКИХ ТЕЛ
Проведено експериментальне дослідження особливостей руйнування зразків з початко-
вою тріщиною при їх одноосному стискуванні. Встановлена залежність міцності таких зраз-
ків, утворення і розвитку магістральних тріщин від орієнтації початкової тріщини відносно
навантажуваних граней зразка і величини контактного тертя на них. Запропоновано пояс-
нення цієї залежності.
INFLUENCE OF ORIENTATION OF INITIAL CRACK
AND CONTACT FRICTION ON FRACTURE OF BRITTLE SOLIDS
The experimental research of fracture features of specimens with an initial crack at their axial
compression is carried out. Dependences of strength such specimens, formation and development of
main cracks from orientation of an initial crack relatively specimen bounds, which loaded by the
uniaxial compression, and value of contact friction on them is set. The explanation of these depend-
ences is offered.
Из многих научных работ следует, что после образования большого числа
малых трещин происходит преимущественное развитие лишь некоторых наи-
более опасных трещин, которые легко инициируемы при данных условиях. Та-
|