Экспериментальное исследование упругих свойств углей различной степени тектонической нарушенности методом лазерно-ультразвуковой спектроскопии

В работе исследованы образцы угля, отобранные из пласта «Болдаревский» шахты им. С. М. Кирова Кузнецкого угольного бассейна. На основе лазерно-ультразвуковой диагностики в эхо-режиме и в режиме проходящих волн были измерены скорости распространения упругих волн в образцах угля. Возбуждение акустических импульсов осуществлялось в двух направлениях по отношению к визуальной слоистости: параллельно и перпендикулярно. С помощью известных эмпирических уравнений Маркота-Риоса и Гринберга-Кастаньи были верифицированы соотношения измеренных значений скоростей Vl(Vt), далее, по полученным экспериментально значениям скоростей распространения упругих волн рассчитаны локальные значения динамического модуля упругости. Проведенный анализ показал, что в случае каменных углей наиболее информативным параметром для оценки анизотропии являются значения скоростей продольных волн. Скорости сдвиговых волн и динамический модуль упругости не показали существенного изменения в зависимости от основного направления слоистости углей из-за их высокой неоднородности и затухания. Получены изображения внутренней структуры исследуемых образцов в трех плоскостях, по которым были определены геометрические характеристики и ориентация в пространстве неоднородностей и расслоений. Аналогичные исследования были проведены для образцов углей пласта, залегающего выше, где степень влияния напряжений и температур ниже. Выявлено, что их структура является более анизотропной с проявлением ортотропии по упругим характеристикам. Был сделан вывод, что с повышением степени нарушенности углей вследствие влияния различных тектонических процессов его упругие характеристики приобретают все более изотропный характер.

Ключевые слова: уголь, лазерно-ультразвуковая диагностика, скорости упругих волн, динамический модуль упругости, анизотропия, эхо-режим, теневой режим, внутренняя структура, структурно-измененный уголь.
Как процитировать:

Иванов П. Н., Безруков В. И. Экспериментальное исследование упругих свойств углей различной степени тектонической нарушенности методом лазерно-ультразвуковой спектроскопии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 4-1. — С. 26—40. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_41_0_26.

 

Благодарности:
Номер: 4
Год: 2021
Номера страниц: 26-40
ISBN: 0236-1493
UDK: 622.33+620.179.16
DOI: 10.25018/0236_1493_2021_41_0_26
Дата поступления: 25.01.2021
Дата получения рецензии: 17.02.2021
Дата вынесения редколлегией решения о публикации: 10.03.2021
Информация об авторах:

Иванов Павел Николаевич1 —аспирант, pavelnivanov@mail.ru;
Безруков Вадим Игоревич1 — студент;
1 Национальный Исследовательский Технологический Университет «МИСиС» Горный институт, Москва, Россия.

 

Контактное лицо:
Список литературы:

1. Ul’yanova E. V., Malinnikova O. N., Pashichev B. N., Malinnikova E. V. Microstructure of Coal before and after Gas-Dynamic Phenomena // Journal of Mining Science, 2019, Vol. 55, Issue 5, pp. 701—707. DOI: 10.1134/S1062739119056063.

2. Ульянова Е. В., Васильковский В. А., Малинникова О. Н. Влияние газодинамического явления на сорбционные свойства угля шахты «Краснолиманская» // Горный Информационно-Аналитический Бюллетень. — 2018. — №. 11 –С. 46—55. DOI: 10.25018/0236—1493—2018—11—0-46—55.

3. Абрамов И. Л. Виды и причины газодинамических явлений на угольных шахтах // Вестник сибирского государственного индустриального университета. — 2015. — №1. — С. 16—17.

4. Иванов Б. М., Фейт Г. Н., Яновская М. Ф. Механические и физико-химические свойства углейвыбросоопасных пластов. — М.: Наука, 1979. — 194 С.

5. Петухов И. М, Линьков А. М. Механика горных ударов и выбросов. — М.: Недра, 1983. — 280 С.

6. Oparin V. N., Kiryaeva T. A., Gavrilov V. Y., Shutilov R. A., Kovchavtsev A. P., Tanaino A. S., Efimov V. P., Astrakhantsev I. E., Grenev I. V. Interaction of geomechanical and physicochemical processes in Kuzbass coal // Journal of Mining Science, 2014, Vol. 50, no 2, pp. 191—214. DOI: 10.1134/S106273911402001X.

7. Tang Z., Yang S., Zhai C., Xu Q. Coal Pores and Fracture Development during CBM Drainage: Their Promoting Effects on the Propensity for Coal and Gas Outbursts // Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2018, Vol. 51, pp. 9–17. DOI: 10.1016/j. jngse.2018.01.003.

8. Reuter M., Krach M., Kießling U., Veksler J. Geomechanical State of Production Faces in Polysaevskaya Coal Mine in Kuzbass // Journal of Mining Science, 2017, Vol. 53, no. 1, pp. 43—48. DOI: 10.1134/S1062739117011811.

9. Frolkov G. D., Frolkov A. G. Mechanochemical concept of outburst hazard in coal seams // Ugol’, 2005, no. 2, pp. 18—22.

10. Малинникова О. Н., Учаев Дм. В., Учаев Д. В. Мультифрактальная оценка склонности угольных пластов к газодинамическим явлениям // Горный Информационно-аналитический бюллетень. — 2009. — №12. — С. 214—233.

11. Trubetskoy К. N., Ruban А. D., Viktorov S. D., Malinnikova О. N., Odintsev V. N., Kochanov A. N., Uchaev D. V. Fractal Structure of Disturbance of Bituminous Coal and Their Proneness to Gas Dynamic Destruction // Doklady Earth Sciences, 2010, Vol. 431, part 2, pp. 538–540. DOI: 10.1134/S1028334X10040264.

12. Malinnikova О. N., Ul’yanova Е. V., Dolgova М. О., Zverev I. V. Change in Fossil Coal Microstructure due to Sudden Coal and Gas Outbursts // Gornyi Zhurnal, 2017, no. 11, pp. 27–32. DOI:10.17580/gzh.2017.11.05.

13. Godyn K. Structurally altered hard coal in the areas of tectonic disturbances — An initial attempt at classification // Archives of Mining Sciences, 2016, Vol. 61, no.3, pp.677– 694. DOI: 10.1515/amsc-2016—0047.

14. Han Y., Wang J., Dong Y., Hou Q., Pa, J. The Role of Structure Defects in the Defomation of Anthracite and Their Influence on the Macromolecular Structure // Fuel, 2017, Vol. 206, pp. 1–9. DOI:10.1016/j.fuel.2017.05.085.

15. Młynarczuk M., Wierzbicki M. Stereological and profilometry methods in detection of structural deformations in coal samples collected from the rock and outburst zone in the “Zofiówka” сolliery // Archives of Mining Sciences, 2009. Vol. 54, no. 2, pp. 189—201.

16. Godyn K. Advancement of structural changes of near-fault coals as a parameter useful in predicting the possibility of gas-geodynamic phenomena // Dokumenta Geonica. In Proceedings of the 8th Czech-Polish Conference Geology of Coal Basins, Ostrava, Czech Republic, 2011, pp. 19–21.

17. Hamdani A. H. X-Ray Computed Tomography Analysis of Sajau Coal, Berau Basin, Indonesia: 3D Imaging of Cleat and Microcleat Characteristics // International Journal of Geophysics, 2015, № 415769. DOI: 10.1155/2015/415769.

18. Hong Y.-D., Lin B.-Q., Zhu C.-J., Wang Z., Liu J.-Q., Saffari P., Nie W. Image and ultrasonic analysis-based investigation of coal core fracturing by microwave energy // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2020, Vol. 127, Article 104232. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2020.104232.

19. Dirgantara F., Batzle M. L., Curtis J. B. Maturity characterization and ultrasonic velocities of coals // Society of Exploration Geophysicists International Exposition and 81st Annual Meeting, 2011, pp. 2308—2312. DOI: 10.1190/1.3627668

20. Kravcov A., Svoboda P., Konvalinka A., Cherepetskaya E. B., Karabutov A. A., Morozov D. V., Shibaev I. A. Laser-ultrasonic testing of the structure and properties of concrete and carbon fiber-reinforcedplastics // Key Engineering Materials, 2017, Vol. 722, pp. 267—272.

21. 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.

22. 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.

23. Винников В. А., Захаров В. Н., Малинникова О. Н., Черепецкая Е. Б. Исследование структуры и упругих свойств геоматериалов с помощью контактной широкополосной ультразвуковой структуроскопии // Горный журнал. — 2017. — № 4. — С. 29—32. DOI: 10.17580/gzh.2017.04.05.

24. Шибаев И. А., Винников В. А., Степанов Г. Д. Определение упругих свойств осадочных горных пород на примере образцов известняка с помощью лазерной ультразвуковой диагностики // Горный информационно-аналитический бюллетень. –2020. — № 7. — С. 125—134. DOI: 10.25018/0236—1493—2020—7-0—125—134.

25. Wang Y., Xu X.-K., Zhang Y.-G. Ultrasonic elastic characteristics of six kinds of metamorphic coals in China under room temperature and pressure conditions // Acta Geophysica Sinica, 2016, Volume 59, Issue 7, pp. 2726—2738. DOI: 10.6038/cjg20160735

26. Iwuoha S. C., Pedersen P. K., Clarkson C. R., Gates I. D. A working method for estimating dynamic shear velocity in the montney formation // MethodsX, 2019, Vol. 6, pp. 1876—1893. DOI: 10.1016/j.mex.2019.08.013.

27. Vernik L., Castagna J., Omovie S. J. S-wave velocity prediction in unconventional shale reservoirs // Geophysics, 2018, Vol. 83, Issue 1, pp. MR35-MR45.DOI: 10.1190/ GEO2017—0349.1.

28. Mavko G., Mukerji T., Dvorkin J. The Rock Physics Handbook.Cambridge University Press, 2009, 511 p.

Наши партнеры

Подписка на рассылку

Раз в месяц Вы будете получать информацию о новом номере журнала, новых книгах издательства, а также о конференциях, форумах и других профессиональных мероприятиях.