Экспериментальное исследование изменения физико-механических свойств антрацита при температурном воздействии

В данной работе представлены экспериментальные данные лабораторных термомеханических испытаний образцов антрацита Горловского угольного бассейна (Новосибирская область). В работе подтверждено, что физико-механические свойства геоматериалов претерпевают значительные изменения при температурных воздействиях. Результаты экспериментов демонстрируют достаточно существенное уменьшение значений предела прочности при одноосном сжатии σc и статического модуля упругости E испытываемых образцов антрацита. Показаны обусловленные наличием анизотропии механических свойств относительно направления напластования различия в температурных зависимостях прочностных и деформационных параметров подвергаемых нагреву образцов антрацита. Уделено внимание такому принципиально значимому аспекту экспериментальной геомеханики, как повышение достоверности результатов лабораторных испытаний геоматериалов. Особенностью проведенных экспериментальных исследований является использование неразрушающих методов лазерно-ультразвуковой диагностики, которые применялись для качественной оценки нарушенности внутренней структуры образцов антрацита, что позволяло провести их последующую отбраковку («цензурирование»). Это позволило создать статистически значимую выборку образцов, которые обладали слабой степенью изменчивости физико-механических свойств. Таким образом, был сделан вывод о перспективности комплексирования разрушающих и неразрушающих (интроскопических) методов исследования геоматериалов для повышения эффективности количественных оценок их прочностных и деформационных характеристик.

Иванов П. Н., Блохин Д. И., Закоршменный И. М. Экспериментальное исследование изменения физико-механических свойств антрацита при температурном воздействии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 4-1. — С. 41—51. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_41_0_41.

Иванов Павел Николаевич¹ — аспирант, pavelnivanov@mail.ru;
Блохин Дмитрий Иванович^1,2 — канд. техн. наук, доцент;
Закоршменный Иосиф Михайлович² — докт. техн. наук;
¹ Национальный Исследовательский Технологический Университет «МИСиС» Горный институт, Москва, Россия;
² Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н. В. Мельникова РАН, Москва, Россия.

1. Опарин В. Н., Киряева Т. А., Усольцева О. М., Цой П. А., Семенов В. Н. Об особенностях развития нелинейных деформационно-волновых процессов в угольных образцах различной стадии метаморфизма при их нагружении до разрушения в изменяющемся поле температур // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2015. — № 4. — С. 3—24.

2. Yin T. B., Wang P., Li X. B., Shu R. H., Ye Z. Y. Effects of thermal treatment on physical and mechanical characteristics of coal rock // Journal of Central South University, 2016, Vol. 23, pp. 2336—2345. DOI: 10.1007/s11771—016—3292—9.

3. Федоров В. А., Ушаков И. В., Шелохвостов В. П. Влияние температуры на морфологические особенности повреждения кальцита при оптическом пробое // Физика и химия обработки материалов. — 1998. — № 1. — С. 37—40.

4. Kong B., Li Z., Wang E. Fine characterization rock thermal damage by acoustic emission technique // Journal of Geophysics and Engineering, 2018, Vol. 15 (1), pp. 1—12. DOI: 10.1088/1742—2140/aa9a54.

5. Hosseini M. Effect of temperature as well as heating and cooling cycles on rock properties // Journal of Mining and Environment, 2017, Vol. 8, Issue 4, pp. 631—644. DOI: 10.22044/jme.2017.971.

6. Иванов Б. М., Фейт Г. Н., Яновская М. Ф. Механические и физико-химические свойства углей выбросоопасных пластов. — М.: Наука, 1979 — 195 с.

7. 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.

8. Дудченко О. Л., Федоров Г. Б., Андреев А. А. Инновационный способ виброакустической классификации угольных пульп // Уголь. — 2018. — № 6. — С. 67—71. DOI: 10.18796/0041—5790—2018—6-67—71.

9. Melnikov N. N., Mesyats S. P., Ostapenko S. P., Cherepetskaya E. B., Shibaev I. A., Morozov N. A., Kravcov A. N, Konvalinka A. Investigation of disturbed rock zones in open-pit mine walls by seismic tomography // Key Engineering Materials, 2017, Vol. 755, pp. 147—152. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.755.147.

10. Дудченко О. Л., Федоров Г. Б. Виброакустическая техника для интенсификации обогащения угля // Уголь. — 2019. — № 4. — pp. 62—66. DOI: 10.18796/0041—5790— 2019—4-62—66.

11. Shkuratnik V. L., Novikov E. A. Physical modeling of the grain size influence on acoustic emission in the heated geomaterials // Journal of Mining Science, 2012, Vol. 48, № 1, pp. 9—14. DOI: https://doi.org/10.1134/S1062739148010029.

12. Берон А. И., Ватолин Е. С., Койфман М. И., Мохначев М. П., Чирков С. Е. Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения. — М.: Недра. 1984. — 276 с.

13. Захаров В. Н., Малинникова О. Н. Исследование структурных особенностей углей выбросоопасных пластов // Записки Горного института. — 2014. — № 210. — C. 43.

14. Коссович Е. Л., Эпштейн С. А., Добрякова Н. Н., Минин M. Г. Структурные особенности и механические свойства антрацита, метаантрацита и графита // Горный журнал. — 2020. — № 4. — С. 25—29. DOI: 10.17580/gzh.2020.04.05.

15. Victorov S. D., Kochanov A. N., Pachezhertsev A. A. Experimental study of the microstructural characteristics of the surfaces and volumes of granite samples // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2018, Vol. 82, pp. 786—788. DOI: 10.3103/ S1062873818070444.

16. Han Y., Wang J., Dong Y., Hou Q., Pan J. The role of structure defects in the deformation of anthracite and their influence on the macromolecular structure // Fuel, 2017, Vol. 206, pp. 1—9. DOI: 10.1016/j.fuel.2017.05.085.

17. Shibaev I. A., Morozov D. V., Dudchenko O. L., Pavlov I. A. Estimation of local elastic moduli of carbon-containing materials by laser ultrasound // Key Engineering Materials, 2018, Vol. 769, pp. 96—101. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.769.96.

18. Bychkov A. S., Cherepetskaya E. B., Karabutov A. A., Makarov V. A. Laser optoacoustic tomography for the study of femtosecond laser filaments in air // Laser Physics Letters, 2016, Vol. 13 (8), Article 085401. DOI: 10.1088/1612—2011/13/8/085401.

19. Zarubin V., Bychkov A., Simonova V., Zhigarkov V., Karabutov A., Cherepetskaya E. A refraction-corrected tomographic algorithm for immersion laser-ultrasonic imaging of solids with piecewise linear surface profile // Applied Physics Letters, 2018, Vol. 112, № 214102. DOI: 10.1063/1.5030586.

20. Karabutov A. A., Podymova N. B., Cherepetskaya E. B. Determination of uniaxial stresses in steel structures by the laser-ultrasonic method // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2017, Vol. 58 (3), pp. 503—510. DOI: 10.1134/S0021894417030154.

21. Cherepetskaya E. B., Karabutov A. A., Makarov V. A., Mironova E. A., Shibaev I. A., Vysotin N. G., Morozov D. V. Internal structure research of shungite by broadband ultrasonic spectroscopy // Key Engineering Materials, 2017, Vol. 755, pp. 242—247. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.755.242.

22. Shibaev I. A., Vinnikov V. A., Stepanov G. D. Determining elastic properties of sedimentary strata in terms of limestone samples by laser ultrasonics // Mining Informational and Analytical Bulletin, 2020, Vol. 7, pp. 125—134. DOI: 10.25018/0236—1493—2020—7-0—125—134.