Авторизация:
Логин:
Пароль:
  



АНОНС


ОБЗОР
О ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ СЕЙСМО-ДЕФОРМАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА В БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТАХ НА КАРЬЕРАХ
Применение высокоточных электронных систем инициирования скважинных зарядов в горном деле вызвало необходимость уточнения выбора параметров буровзрывных работ с учетом...

ПОДРОБНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

 

ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГЛЕЙ НА МИКРО- И НАНОУРОВНЯХ И ИХ СПОСОБНОСТЬЮ К ВНЕЗАПНЫМ ВЫБРОСАМ И РАЗРУШЕНИЮ



Внезапные выбросы угля и газа являются одними из наиболее опасных явлений при добыче угля. В связи с этим изучение природы этих процессов является приоритетным для угольной промышленности. В настоящей работе показано, что особенности структуры витринита каменных углей на микрои наноуровне в значительной степени определяют их склонность к внезапным выбросам и образованию тонкодисперсных частиц. В качестве объектов исследования выбраны угли из разных пачек одного пласта, различающихся по потенциальной выбросоопасности. Для работ использовали аншлиф-брикеты исходных углей и углей, подвергнутых сорбции в среде диметилформамида. Показано, что способность углей к разрушению и образованию тонкодисперсных частиц при механическом одноосном нагружении (микроиндентировании) находится во взаимосвязи с распределением их механических свойств и дефектов, построенным по результатам автоматизированного наноиндентирования по сетке на площадках, размеры которых сопоставимы с размерами контактов между поверхностью образца и иглой микроиндентора. Обнаружено отсутствие взаимосвязи между особенностями структуры витринита углей из потенциально опасной и неопасной пачек и средними величинами твердости, а также ее распределением по поверхности образцов. Установлено, что для угля из потенциально выбросоопасной пачки характерна более высокая неоднородность распределения величин модуля упругости (как характеристики «жесткости» материала — способности к сопротивлению деформированию) по сравнению с углем из неопасной пачки. Сопоставление полученных результатов с данными об образовании трещин в области контакта при микроиндентировании позволяет сделать вывод о существовании тесной взаимосвязи между высокой неоднородностью распределения «жесткости» витринита углей из потенциально выбросоопасных пачек с их способностью к разрушению при механическом нагружении. Для оценки способности углей к образованию тонкодисперсных частиц при механических воздействиях был использован параметр RW, вычисляемый на основе анализа диаграмм «нагружение-глубина внедрения» как отношение работы, потраченной на необратимые изменения в структуре материала, в полной работе по вдавливанию при наноиндентировании. Обнаружено, что образцы угля из неопасной пачки характеризуются низким количеством включений (областей на поверхности), склонных к необратимым изменениям структуры, по сравнению с включениями, способными сохранять структурную целостность. Для углей из потенциально выбросоопасной пачки характерно равное соотношение таких включений. Сорбционное взаимодействие углей с диметилформамидом позволило частично снять внутренние напряжения, существующие в их структуре. Это дало возможность выявить различия в механических свойствах двух исследованных углей, обусловленные особенностями структуры витринита. Представленные в работе результаты показали, что анализ распределения механических свойств по данным наноиндентирования позволяет качественно и количественно выявлять способность углей к разрушению и внезапным выбросам.


Благодарности: Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 1877-10052).

 

Для цитирования: Коссович Е. Л., Эпштейн С. А., Бородич Ф. М., Добрякова Н. Н., Просина В. А. Взаимосвязи между неоднородностью распределения механических свойств углей на микрои наноуровнях и их способностью к внезапным выбросам и разрушению // Горный информационно-аналитический бюллетень. − 2019. − № 5. − С. 156-172. DOI: 10.25018/02361493-2019-05-0-156-172.



Номер: 5
Год: 2019
ISBN: 0236-1493
УДК: 531+620.17
DOI: 10.25018/0236-1493-2019-05-0-156-172
Авторы: Коссович Е. Л., Эпштейн С. А., Бородич Ф. М. и др.

Информация об авторах:
Коссович Елена Леонидовна (1) — кандидат физико-математических наук,
старший научный сотрудник, e-mail: e.kossovich@misis.ru,
Эпштейн Светлана Абрамовна (1) — доктор технических наук,
старший научный сотрудник, зав. лабораторией, e-mail: apshtein@yandex.ru,
Бородич Федор Михайлович — доктор физико-математических наук, профессор,
институт Инженерии, Университет Кардиффа, Кардифф, Великобритания,
Добрякова Надежда Николаевна (1) — кандидат технических наук, ведущий инженер,
Просина Вера Алексеевна1 — инженер,
1) Hаучно-учебная испытательная лаборатория «Физико-химии углей», НИТУ «МИСиС».
Для контактов: Коссович Е. Л., e-mail: e-mail: e.kossovich@misis.ru.

Ключевые слова:
Уголь, механические свойства, неоднородность, тонкодисперсная пыль, хрупкость, сорбционное разупрочнение.

Библиографический список:

1.        Rout T. K., Masto R. E., Padhy P. K., George J., Ram L. C., Maity S. Dust fall and elemental flux in a coal mining area // Journal of Geochemical Exploration, 2014. Vol. 144, no PC, pp. 443— 455. DOI: 10.1016/j.gexplo.2014.04.003.



2.        Tang Z., Chai M., Cheng J., Jin J., Yang Y., Nie Z., Huang Q., Li Y. Contamination and health risks of heavy metals in street dust from a coal-mining city in eastern China // Ecotoxicology and Environmental Safety, 2017. Vol. 138, pp. 83—91. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2016.11.003.



3.        Shepherd J., Rixon L. K., Griffiths L. Outbursts and geological structures in coal mines: A review // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and, 1981. Vol. 18, no 4, pp. 267—283. DOI: 10.1016/0148-9062(81)91192-X.



4.        Lama R. D., Bodziony J. Management of outburst in underground coal mines // International Journal of Coal Geology, 1998. Vol. 35, no 1—4, pp. 83—115. DOI: 10.1016/S01665162(97)00037-2.



5.        Fedorova G. G., Sidorov I. N., Afanas’ev K. M. Dispersion of coal in a gaseous medium under the influence of physicochemical processes, and methods of dust suppression // Soviet Mining Science, 1974. Vol. 10, no 4, pp. 498—503. DOI: 10.1007/BF02501444.



6.        Johann-Essex V., Keles C., Rezaee M., Scaggs-Witte M., Sarver E. Respirable coal mine dust characteristics in samples collected in central and northern Appalachia // International Journal of Coal Geology, 2017. Vol. 182, no March, pp. 85—93. DOI: 10.1016/j.coal.2017.09.010.



7.        Organiscak J. A., Page S. J. Airborne Dust Liberation During Coal Crushing // Coal Preparation, 2000. Vol. 21, no 5—6, pp. 423—453. DOI: 10.1080/07349340108945630.



8.        An F. H., Cheng Y. P. An explanation of large-scale coal and gas outbursts in underground coal mines: The effect of low-permeability zones on abnormally abundant gas // Natural Hazards and Earth System Sciences, 2014. Vol. 14, no 8, pp. 2125—2132. DOI: 10.5194/ nhess-14-2125-2014.



9.        Fisne A., Esen O. Coal and gas outburst hazard in Zonguldak Coal Basin of Turkey, and association with geological parameters // Natural Hazards, 2014. Vol. 74, no 3, pp. 1363—1390. DOI: 10.1007/s11069-014-1246-9.



10.    Ding Y., Dou L., Cai W., Chen J., Kong Y., Su Z., Li Z. Signal characteristics of coal and rock dynamics with micro-seismic monitoring technique // International Journal of Mining Science and Technology, 2016. Vol. 26, no 4, pp. 683—690. DOI: 10.1016/j.ijmst.2016.05.022.



11.    Wang S., Elsworth D., Liu J. Rapid decompression and desorption induced energetic failure in coal // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2015. Vol. 7, no 3, pp. 345—350. DOI: 10.1016/J.JRMGE.2015.01.004.



12.    Wen Z., Wang X., Tan Y., Zhang H., Huang W., Li Q. A Study of Rockburst Hazard Evaluation Method in Coal Mine // Shock and Vibration, 2016. Vol. 2016, pp. 1—9. DOI: 10.1155/2016/8740868.



13.    Li X., Wang C., Zhao C., Yang H. The propagation speed of the cracks in coal body containing gas // Safety Science, 2012. Vol. 50, no 4, pp. 914—917. DOI: 10.1016/j.ssci.2011.08.004.



14.    Beamish B. B., Crosdale P. J. Instantaneous outbursts in underground coal mines: an overview and association with coal type // International Journal of Coal Geology, 1998. Vol. 35, no 1—4, pp. 27—55. DOI: 10.1016/S0166-5162(97)00036-0.



15.    Molchanov O., Rudakov D., Soboliev V., Kamchatnyi O. Destabilization of the hard coal microstructure by a weak electric field // E3S Web of Conferences, 2018. Vol. 60, pp. 00023. DOI: 10.1051/e3sconf/20186000023.



16.    Bobin V. A., Malinnikova O. N., Odintsev V. N., Trofimov V. A. Analysis of the connection between the microstructure and gas-dynamic fracture susceptibility in coal // Gornyi Zhurnal, 2017, pp. 22—27. DOI: 10.17580/gzh.2017.11.04.



17.    Эпштейн С. А., Коссович Е. Л., Просина В. А., Добрякова Н. Н. Особенности сорбционного разупрочнения углей из потенциально выбросоопасных и неопасных пачек // Горный журнал. — 2018. — № 12. — С. 18—22. DOI: 10.17580/gzh.2018.12.04.



18.    Sergejev F., Kimmari E., Viljus M. Residual Stresses in TiC-based Cermets Measured by Indentation // Procedia Engineering, 2011. Vol. 10, pp. 2873—2881. DOI: 10.1016/j.proeng.2011.04.477.



19.    Ватульян А. О., Ляпин А. А., Коссович Е. Л. Исследование упругопластических свойств угольных пород на основе метода индентирования // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. — 2018. — Т. 18. — вып. 4. — С. 412—420. DOI: 10.18500/1816-9791-2018-18-4-412-420.



20.    ASTM D7708-14, Standard Test Method for Microscopical Determination of the Reflectance of Vitrinite Dispersed in Sedimentary Rocks // West Conshohocken, PA, 2014, www.astm. org: ASTM International. DOI: 10.1520/D7708-14.



21.    Коссович Е. Л., Эпштейн С. А., Шкуратник В. Л., Минин М. Г. Перспективы и проблемы использования современной техники микрои наноиндентирования для диагностики механических свойств углей // Горный журнал. — 2017. — № 12. — С. 25—30. DOI: 10.17580/ gzh.2017.12.05.



22.    Kossovich E., Epshtein S., Dobryakova N., Minin M., Gavrilova D. Mechanical Properties of Thin Films of Coals by Nanoindentation // Physical and Mathematical Modeling of Processes in Geomedia, Moscow: IPMech RAS, 2018, pp. 45—50. DOI: 10.1007/978-3-319-77788-7_6.



23.    ГОСТ 21206-75 Угли каменные и антрацит. Метод определения микротвердости и микрохрупкости. — М.: Издательство стандартов, 1977.



24.    ASTM. ASTM E384: Standard Test Method for Microindentation Hardness of Materials // Annual Book of ASTM Standards, PA: ASTM International, West Conshohocken, 2016. 1-42 p. DOI: 10.1520/E0384-10.2.



25.    Хрущов М. М., Беркович Е. С. Приборы ПМТ-2 и ПМТ-3 для испытания на микротвердость. — М.: Изд-во АН СССР, 1950. — 66 с.



26.    Kossovich E. L., Borodich F. M., Epshtein S. A., Galanov B. A., Minin M. G., Prosina V. A. Mechanical, structural and scaling properties of coals: depth-sensing indentation studies // Applied Physics A, 2019. Vol. 125, no 3, pp. 195. DOI: 10.1007/s00339-018-2282-1.



27.    Sakai M. Energy principle of the indentation-induced inelastic surface deformation and hardness of brittle materials // Acta Metallurgica Et Materialia, 1993. Vol. 41, no 6, pp. 1751— 1758. DOI: 10.1016/0956-7151(93)90194-W.



28.    Argatov I. I., Borodich F. M., Epshtein S. A., Kossovich E. L. Contact stiffness depthsensing indentation: Understanding of material properties of thin films attached to substrates // Mechanics of Materials, 2017. Vol. 114, pp. 172—179. DOI: 10.1016/j.mechmat.2017.08.009.



29.    Baumgart F. Stiffness — an unknown world of mechanical science? // Injury, 2000. Vol. 31, pp. S-B14-S-B23. DOI: 10.1016/S0020-1383(00)80040-6.



30.    Borodich F. M. The Hertz-Type and Adhesive Contact Problems for Depth-Sensing Indentation // Advances in Applied Mechanics, 2014. Vol. 47, pp. 225—366. DOI: 10.1016/ B978-0-12-800130-1.00003-5.



31.    Булычев С. И., Алехин В. П., Шоршоров М. Х., Терновский А. П., Шнырев Г. Д. Shnyrev G. D. Определение модуля Юнга по диаграмме вдавливания индентора // Заводская лаборатория. — 1975. — Т. 41. — № 9. — с. 1137-1140.



32.    Oliver W. C., Pharr G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // Journal of Materials Research, 1992. Vol. 7, no 06, pp. 1564—1583. DOI: 10.1557/JMR.1992.1564.



33.    Oliver W. C., Pharr G. M. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology // Journal of Materials Research, 2004. Vol. 19, no 01, pp. 3—20. DOI: 10.1557/jmr.2004.19.1.3.



34.    Галанов Б. А., Дуб С. Н. Критические комментарии к методике Оливера-Фара для измерения твердости и упругого модуля посредством инструментального индентирования и уточнение ее базисных соотношений // Сверхтвердые материалы. — 2017. — Т. 39. — № 6. — С. 373—389. DOI: 10.3103/S1063457617060016.


вернуться назад
Карта сайта