Дослідження механізму динамічного руйнування гранично напруженого вугілля при його розвантаженні з утворенням тонкодисперсних фракцій. Методика визначення Утворення тонкодисперсних вугільних фракцій у еліпсоподібних зонах, стиснутих з усіх сторін.
Аннотация к работе
Мета роботи - розробити метод і визначити особливості процесу утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні у гранично напруженому стані при розвантаженні для розробки комплексу сучасних засобів лабораторного дослідження і методу визначення фізико-механічних характеристик вугілля викидонебезпечних пластів. Для досягнення поставленої мети в роботі вирішені наступні завдання: - розробити метод фізичного моделювання і комплекс сучасних засобів лабораторного дослідження особливостей процесу утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні у гранично напруженому стані під час розвантаження та розрахувати ефективність їх застосування; Радіально-пошарове динамічне руйнування гранично напруженого вугілля з утворенням тонкодисперсних фракцій відбувається, якщо відношення прискорення до попередньої швидкості його розвантаження дорівнює (4-3,5) с-1, (3,5-20) с-1 та (20-34) с-1 при відповідних усереднених значеннях осьового стиснення (114-190) МПА, (190-280) Мпа та (280-300) МПА, причому в зазначених діапазонах залежність між відношенням прискорення до швидкості і напруженням - лінійна. Коефіцієнт дисипації при розвантаженні чисельно визначає з балансу загальної дисипації у циклі «навантаження-розвантаження» дисипацію при розвантаженні, лінійно зростає в кожному з двох характерних діапазонів від 8 до 12% і від 12 до 60% зі зміною усередненого напруження стиснення відповідно від 100 до 190 МПА і від 190 до 300 МПА. Утворення тонкодисперсних фракцій вугілля у еліпсоподібних зонах, стиснутих з усіх сторін, з найвищим значенням градієнту напружень при розвантаженні, з подальшим їх проривом через краєву частину гранично напруженого вугілля починається, коли питома потужність дисипації при розвантаженні зі швидкістю 10 МПА/с має значення на рівні 0,1 Вт/г в інтервалі усереднених напружень стиснення (100 - 190) МПА, а при більших швидкостях розвантаження зростає в лінійній залежності від їх значень.Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі визначення механізму утворення системи тріщин в гранично напруженому вугіллі, а також утворення тонкодисперсних фракцій вугілля в області еліпсоподібній форми, уточнені умови виникнення явища раптових викидів вугілля через його крайову частину, розроблений на цій основі метод дослідження раптового руйнування гранично напружених вугільних зразків при розвантаженні в динамічному режимі, а також доповнена лабораторна база сучасною аналого-цифровою вимірювальною апаратурою і підвищена на 30 % точність результатів фізичного моделювання раптових руйнувань вугільних зразків, що має важливе наукове значення для розвитку знань в області динаміки виникнення раптових викидів вугілля і безпеки вуглевидобування на викидонебезпечних пластах. Отримані нові уявлення відносно геомеханічних причин виникнення і закономірностей протікання в часі окремих стадій моделі раптового руйнування гранично напруженого вугілля, які полягають в тому, що: - вперше виявлені ефекти радіально-пошарового тонкодисперсного динамічного руйнування гранично напружених вугільних зразків при їх розвантаженні, які виникають за умов, коли відношення прискорення до попередньої швидкості їх розвантаження знаходиться в діапазоні від 3,5 до 34 с-1 у відповідному інтервалі напружень стиснення від 114 до 300 Мпа; встановлена лінійна залежність між відношенням прискорення до попередньої швидкості розвантаження гранично напруженого вугілля і напруженням стиснення при яких моделюється утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні. Вперше запропонований для визначення моменту руйнування критерій динамічного руйнування гранично напруженого вугілля з утворенням тонкодисперсних фракцій, який визначається відношенням прискорення до попередньої швидкості його розвантаження, при цьому швидкість розвантаження представлена у вигляді зменшення в часі напружень стиснення від певного значення до нуля, а прискорення навантаження - у вигляді зміни швидкості до тієї миті, коли відбуваються викиди тонкодисперсних фракцій вугілля із зразка. Виявлено, що утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні під час розвантаження в гранично напруженому стані аналогічно раптовим викидам з пласта в шахті, яке супроводжується характерними звуковими коливаннями, і свідчать про крихке подрібнення частинок до рівня тонкодисперсних фракцій і тертя пилу по поверхнях внутрішньої порожнини у вугіллі при його викидах з пласта.
Вывод
вугільний тонкодисперсний фракція еліпсоподібний
Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі визначення механізму утворення системи тріщин в гранично напруженому вугіллі, а також утворення тонкодисперсних фракцій вугілля в області еліпсоподібній форми, уточнені умови виникнення явища раптових викидів вугілля через його крайову частину, розроблений на цій основі метод дослідження раптового руйнування гранично напружених вугільних зразків при розвантаженні в динамічному режимі, а також доповнена лабораторна база сучасною аналого-цифровою вимірювальною апаратурою і підвищена на 30 % точність результатів фізичного моделювання раптових руйнувань вугільних зразків, що має важливе наукове значення для розвитку знань в області динаміки виникнення раптових викидів вугілля і безпеки вуглевидобування на викидонебезпечних пластах.
Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи полягають в наступному.
1. Аналіз результатів моделювання раптових викидів і стану системи «вугілля-газ-гірський тиск» показав необхідність визначення додаткового критерію, що характеризує момент ініціювання динамічного руйнування вугілля з утворенням тонкодисперсних фракцій за умови раптової зміни його напруженого стану.
2. Отримані нові уявлення відносно геомеханічних причин виникнення і закономірностей протікання в часі окремих стадій моделі раптового руйнування гранично напруженого вугілля, які полягають в тому, що: - вперше виявлені ефекти радіально-пошарового тонкодисперсного динамічного руйнування гранично напружених вугільних зразків при їх розвантаженні, які виникають за умов, коли відношення прискорення до попередньої швидкості їх розвантаження знаходиться в діапазоні від 3,5 до 34 с-1 у відповідному інтервалі напружень стиснення від 114 до 300 Мпа;
- встановлена лінійна залежність між відношенням прискорення до попередньої швидкості розвантаження гранично напруженого вугілля і напруженням стиснення при яких моделюється утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні.
3. Коефіцієнт дисипації при розвантаженні в обємі вугільного зразка в циклі «навантаження - розвантаження» лінійно зростає з 8 до 12 % і з 12 до 60 % при зміні усередненого напруження стиснення від 100 до 190 мпа і від 190 до 300 Мпа відповідно.
4. Питома потужність дисипації при якій починається процес утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні, зі швидкістю розвантаження 10 МПА/с, має стабільне значення 0,1 Вт/г в інтервалі напружень стиснення 100 - 190 Мпа.
5. Вперше запропонований для визначення моменту руйнування критерій динамічного руйнування гранично напруженого вугілля з утворенням тонкодисперсних фракцій, який визначається відношенням прискорення до попередньої швидкості його розвантаження, при цьому швидкість розвантаження представлена у вигляді зменшення в часі напружень стиснення від певного значення до нуля, а прискорення навантаження - у вигляді зміни швидкості до тієї миті, коли відбуваються викиди тонкодисперсних фракцій вугілля із зразка. Виявлено, що утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні під час розвантаження в гранично напруженому стані аналогічно раптовим викидам з пласта в шахті, яке супроводжується характерними звуковими коливаннями, і свідчать про крихке подрібнення частинок до рівня тонкодисперсних фракцій і тертя пилу по поверхнях внутрішньої порожнини у вугіллі при його викидах з пласта.
6. Виявлено, що питома потужність дисипації по своєму абсолютному значенню відповідає питомій енергії накопиченою кубічними зразками при одноосному стискуванні перед руйнуванням. Тобто питома дисипація при розвантаженні гранично напруженого вугілля за час 0,06 с, що приводить до утворення тонкодисперсних фракцій при динамічному руйнуванні, по своєму рівню відповідає питомій енергії накопиченою, перед руйнуванням, зразками кубічної форми при їх одноосному стисненні для різних фізико-механічних умов експерименту: порушеного або непорушеного вугілля, газонасиченого, не насиченого газом.
7. Встановлено, що тонкодисперсні фракції утворюються в стислих з усіх боків еліпсоподібних зонах - в результаті реалізації потенційної енергії стиснення на подрібнення вугілля і подальшого динамічного прориву тонкодисперсних фракцій вугілля через його краєву частину.
8. Застосування розробленого комплексу сучасних засобів лабораторного визначення характеристик динамічного руйнування вугілля з викидонебезпечних пластів дозволило підвищити на 30 % точність вимірювання і уточнити звязок між характеристиками поля напружень стиснення і динамікою розвантаження, які змінюються при утворенні тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні. Розрахунковий економічний ефект від впровадження проекту модернізації комплексу пресового устаткування, сучасною аналого-цифровою апаратурою та засобів компютерної обробки отриманих в лабораторних умовах даних, складає 320,9 тис. грн. на один комплект устаткування.
9. Сформульовані науково-технічні принципи на базі яких розроблена методика фізичного моделювання процесу утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні із застосуванням комплексу сучасного аналого-цифрового устаткування компанії-виробника National Instruments і датчиків переміщення компанії Balluff, та архівації бази даних на електронно-обчислювальній машині для аналізу і узагальнення даних про фізико-механічні властивості вугілля з викидонебезпечних пластів.
10. Результати визначення особливостей утворення тонкодисперсних фракцій вугілля при його динамічному руйнуванні під час розвантаження в гранично напруженому стані передані в Донецький вугільний інститут у вигляді «Методики фізичного моделювання динамічного руйнування вугілля за межами міцності» (Акт передачі від 14.11.2007 р.) та «Методики визначення фізико-механічних властивостей викидонебезпечних порід» передана в ДП «Дондіпровуглемаш» (Акт передачі від 17.03.2010 р.).
Список литературы
1. Дякун Р.А. Моделирование формирования динамической области разгрузки в углепородном массиве вокруг движущегося очистного забоя / Р.А. Дякун // Геотехнічна механіка: міжвід. збір. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2006. - Вип. 61. - С. 250-257.
2. Дякун Р.А. Результаты исследований поведения угольных образцов при высоких давлениях / Р.А. Дякун // Геотехнічна механіка: міжвід. збір. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2006. - Вип. 62. - С. 73-84.
3. Кияшко Ю.И. Установление минимальной скорости разгрузки напряженного образца угля, при которой происходит его быстрое разрушение до уровня мелкодисперсной пыли / Ю.И. Кияшко, Р.А. Дякун // Геотехнічна механіка: міжвід. збір. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2006. - Вип. 65. - С. 61-66.
4. Дякун Р.А. О причинах радиально-послойного разрушения предельно напряженного угольного образца при разгрузке / Р.А. Дякун // Геотехнічна механіка: міжвід. збір. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2008. - Вип. 77. - С. 73-82.
5. Дякун Р.А. Петрографические исследования углей, подвергшихся экспериментальному одноосному сжатию / Р.А. Дякун, В.И. Барановский // Геотехнічна механіка: міжвід. збір. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2008. - Вип. 80. - С. 193-197.