Энергоемкость разрушения углей Южной Якутии

В статье приведены результаты экспериментальных исследований изменения удельной энергоемкости разрушения углей различных месторождений Южной Якутии в условиях отрицательных температур. Показано, что удельная энергоемкость разрушения некоторых углей имеет локальный минимум в диапазоне температур от 268 К до 258 К.

Ключевые слова: энергоемкость, отрицательная температура, уголь, разрушение.

В исследованиях, проведенных в лаборатории горной теплофизики ИГДС СО РАН, установлено [1, с.108], что воздействие отрицательных температур на горные породы могут изменять их прочностные характеристики, и соответственно будет изменяться энергия, затрачиваемая на разрушение исследуемых пород [2, с.38]. В настоящее время, единого мнения о величине изменения энергии разрушения горных пород, в зависимости от температуры, в диапазоне естественно низких температур нет. Целью проведенных работ являлось исследование влияния отрицательных температур на удельную энергоемкость разрушения углей Южной Якутии в диапазоне от 293 до 253К.

Исследование влияния низких температур на энергоемкость разрушения проводили на образцах угля, отобранных из следующих месторождений: разрез «Инаглинский» пласт Д-15; шахта «Денисовская» пласт К-4; участок «Восточный» пласт Д-7 (Верхний).

Предварительно, перед началом испытаний определялись физические свойства углей, результаты приведены в  таблице 1.

Таблица 1. Свойства исследуемых образцов.

Методика проведения эксперимента.

Ввиду того, что уголь был доставлен для проведения исследований в теплое время года, во избежание его самопроизвольной дезинтеграции (такой эффект наблюдался при исследовании углей разреза «Кангаласский») было принято решение о необходимости его помещения в морозильную камеру (263К) для сохранения целостности его структуры.

Уголь каждого месторождения извлекался из морозильной камеры в необходимом для проведения испытаний объеме (по одному кг. для каждой температуры испытаний). Извлеченный уголь высушивался при комнатной температуре около 8 часов, а затем дробился для получения материала крупностью -20+10 мм. Из полученной массы угля формировались пять навесок, которые испытывались при одной конкретно заданной температуре, каждая навеска имела массу около 50 гр.

Образцы угля каждого месторождения испытывались в воздушно-сухом состоянии.  Исследование энергоемкости разрушения образцов проводили при температурах: 293К, 268К, 263К, 258К и 253К. Время замораживания выбирали с расчетом того, чтобы образцы приняли температуру, заданную в камере холодильника. Для контроля за достижением заданной температуры, вместе с образцами в морозильную камеру помещали образец спутник, в центре которого находился термодатчик. Характерное время замораживания составляло около 6 часов.

Замороженные образцы вынимали из морозильника и сразу подвергали дроблению по методу толчения [3, с.20]. Оборудование, применяемое для дробления, состоит из вертикального копра и объемомера. Навески образцов по очереди засыпают в загрузочный стакан копра и измельчают путем сбрасывания груза определенной массы, с постоянной высоты.

Энергия, затрачиваемая на механическое дробление при толчении, вычисляется по формуле (1). Принимаются в учет также потери на трение  (5%) при сбрасывании груза по стенке направляющей трубы:

  ,   Дж                                               ( 1 )  

Где h = 0,95 - потери на трение; m – масса груза;

g – ускорение свободного падения; Н – высота сбрасывания груза;

N – количество сбрасываний груза.

По методике количество сбрасываний груза выбирается таким образом, чтобы выход фракции разрушенного материала менее 0,5 мм, определяемый с помощью объемомера, находился в пределах 10-40 мм. В частности, для испытаний весьма слабых углей было принято число сбрасываний гири n<5, чтобы выход мелочи не превышал 15-20 % всего объема измельчаемой породы. Исходя из приведенных допущений в эксперименте, количество сбрасываний груза равнялось 3.

Преимущества метода применяемого для исследования, заключаются в том, что используются образцы произвольной (неправильной) формы, т.е. нет необходимости в строгой геометрической подгонке образцов. Метод позволяет произвести сравнительную оценку энергоемкости дробления материалов.

Дробление проводилось в неотапливаемом помещении на массивном жестком основании, при температурах близких к температуре замораживания образцов. Дробленый материал высушивался при комнатной температуре, и подвергался ситовому анализу, по результатам которого расчетным путем находили поверхность, образованную при дроблении, формула (2). Для упрощения расчетов форма частиц при сравнительных испытаниях  принимается шарообразной:

                           ,    м²                                         ( 2 )

где  d_i = 0,5(d_i+ d_i+1) – средний размер класса массой M_i; 

r₀ – плотность породы, кг/м³; M_n – масса исходного образца породы.

Используя данные по затраченной на дробление энергии (1) и площади вновь образованной поверхности (2) определяем энергоемкость процесса механического разрушения угля по формуле (3) [4, с.214]:

,  Дж/м²                                                       ( 3 )

В таблице 2 приведены данные, полученные в ходе экспериментов по установлению крепости и удельной энергоемкости разрушения углей.

Таблица 2. Энергоемкость разрушения и крепость исследуемых углей.

На рис. 1 приведены удельные энергозатраты на разрушение углей различных месторождений Южной Якутии. Понижение температуры от комнатной до 253К не вызывает значительного изменения удельной энергоемкости разрушения угля разреза «Инаглинский», а также угля участка «Восточный».

При исследовании энергоемкости разрушения угля шахты «Денисовская» в зависимости от температуры, были получены следующие данные. Понижение температуры от комнатной до 268К сразу приводит к резкому снижению затрачиваемой на разрушение энергии (на 50%). При дальнейшем понижении температуры до 258К затраты энергии на разрушение угля продолжают постепенно снижаться. При температуре 253К энергозатраты становятся равны энергозатратам, образующимся при положительной температуре.

Рис. 1. Зависимость относительной энергоемкости разрушения

углей Южной Якутии  от температуры.

Такое изменение энергоемкости разрушения угля в зависимости от температуры объясняется тем, что при понижении температуры возникают внутренние термонапряжения, вызванные главным образом - изменением агрегатного состояния поровой влаги в угле. При понижении температуры от 0°С происходит замерзание влаги находящейся в порах угля, вода превращаясь в лед, увеличивается в объеме на 9% [1, с.37]. При этом одновременно на скелет породы давит как лед, так и оставшаяся незамерзшая вода, сдавливаемая льдом. Ус­тановлено, что влияние последнего фактора преобладающее. С этим связано снижение энергии разрушения в пределах 268-258К.

Дальнейшее понижение температуры от 253К и ниже приводит к увеличению энергии разрушения угля. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, оставшаяся в породах незамерзшая влага постепенно переходит в мерзлое состояние, во-вто­рых, с пони­жением температуры наблюдается повышение прочности самого льда, сопровождающееся снижением его пла­стичности и приводящее к увеличению прочности и соответственно энергоемкости разрушения породы.

Заключение

Экспериментальными исследованиями установлено, что удельная энергоемкость разрушения углей разреза «Инаглинский» и участка «Восточный» не зависит от температуры, но при исследовании угля шахты «Денисовская» в диапазоне 268-258К происходит резкое снижение удельной энергоемкости разрушения (более 50%). Данный эффект необходимо использовать для совершенствования способа добычи и подготовки к обогащению угля шахты «Денисовская».

Литература

1.       Курилко А.С. Экспериментальные исследования влияния циклов замораживания-оттаивания на физико-механические свойства горных пород. – Якутск: ЯФ ГУ «Из-во СО РАН», 2004. - 154 с.  

2.        Шехурдин В.К. Удельная энергоемкость разрушения горных пород адекватна пределу прочности. Горная промышленность, №6: 1999. - 38-39 с.

3.       Барон Л.И., Коняшин Ю.Г., Курбатов В.М. Дробимость горных пород. – М.: Из-во Академии Наук СССР, 1963. – 168 с.

4.       Каркашадзе Г.Г. Механическое разрушение горных пород.- М.: Из-во  МГГУ, 2004. – 222 с.