Исследование динамики разрушения угля под воздействием циклического замораживания–оттаивания

Внедрение: 2020 г.

Данная тема связана с работой Ультразвуковые измерения в образцах угля с использованием поперечных упругих волн.

Уголь при транспортировке через различные климатические зоны и хранении в различных условиях часто подвергается циклически изменяющимся тепловым воздействиям в положительных и отрицательных диапазонах температур. Такие воздействия приводят к изменению механических и потребительских свойств угля (снижение прочности, повышение степени окисления и снижение теплотворной способности).

Циклическое замораживание–оттаивание может привести к развитию трещин в угле, что сказывается на его механических и потребительских свойствах. Для изучения трещин в угле авторами статьи [1] был предложен метод ультразвукового зондирования с использованием сдвиговых поляризованных волн. Аппаратура, используемая для исследования влияния циклических криотермических воздействий на акустические характеристики угля, состоит из лабораторного стенда для ультразвукового контроля (рисунки 1 и 2) и многофункциональной климатической камеры КТНВ‑150.

Рисунок 1. Функциональная схема установки ультразвукового контроля.

Рисунок 2. Внешний вид установки ультразвукового контроля.

Лабораторная установка состоит из преобразователей поперечных акустических волн (Горбацевич, 1987), установленных на раме так, чтобы плоскости поляризации излучаемых и принимаемых S‑волн совпадали. Преобразователи позволяют излучать в образец линейно-поляризованные поперечные волны. Это становится возможным благодаря преобразованию продольных волн в поперечные волны на границе двух акустически различных сред, расположенных внутри корпуса преобразователя. Эта граница расположена под таким углом, что в образце распространяются только поперечные волны. Использовались широкополосные преобразователи с центральной частотой 600 кГц. На излучающий преобразователь поступает сигнал от генератора импульсов в виде меандра с амплитудой до 300 В. Приемный преобразователь подключается ко входу модуля АЦП Е20‑10 с частотой дискретизации 5 МГц, подключенного к ПК.  

Рисунок 3. Примеры полярных диаграмм амплитуды S‑волн для образцов антрацита (a), бурого угля (b) и каменного угля (c).

Результаты исследований показывают, что, в отличие от скорости поперечной волны, амплитуда поперечной волны чрезвычайно чувствительна к образованию новых трещин на ранних стадиях циклического замораживания–оттаивания. Испытания также показывают обратную корреляцию между прочностью угля на сжатие и его склонностью к образованию трещин при температурных воздействиях. Затухание поперечных волн более резко увеличивается в высокосортных углях после первого цикла замерзания. Спектральный анализ полученных сигналов также подтвердил значительное трещинообразование в антраците после первого цикла замораживания–оттаивания. Определена начальная анизотропия, показано ее уменьшение с увеличением числа циклов замораживания–оттаивания. Полученные данные составляют экспериментальную основу для разработки новых подходов к сохранению потребительских свойств угля при хранении и транспортировке в суровых природно-климатических условиях.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 18‑05‑70002.

Источник:

Nikolenko, P.V., Epshtein, S.A., Shkuratnik, V.L. et al. Experimental study of coal fracture dynamics under the influence of cyclic freezing–thawing using shear elastic waves. Int J Coal Sci Technol (2020). https://doi.org/10.1007/s40789-020-00352-x

Разработчик: Николенко П.В., Эпштейн С.А., Шкуратник В.Л., Ануфренкова П.С. (НИТУ "МИСиС", г. Москва)