Использование метода термостимулированной акустической эмиссии для исследования структуры и свойств ископаемых углей

Традиционные методы оценки параметров структуры и свойств углей, заключаются в исследовании их поверхности под микроскопом и/или изучении реакции специальным образом подготовленных образцов на химическую обработку. Эти методы достаточно информативны, но трудоемки и требуют сложного аппаратурного обеспечения. Одним из путей решения поставленной задачи является использование метода термостимулированной акустической эмиссии (ТАЭ).

Цель работы - создание экспресс способа оценки изменения качества и риска самовозгорания угольной продукции непосредственно в местах её складирования и на пересылочных станциях.
 

Изъятие, хранение, транспортировка углей из пласта в процессе добычи сопровождаются постепенным замещением в поровом пространстве инертной газовой среды окислительной. Это приводит к активизации в углях процессов трещинообразования и окисления, что неизбежно ведет к повышению рисков самовозгорания угольной продукции. Существующие методы достаточно трудоемки , что принципиально не позволяет реализовать оперативный контроль качественных показателей углей в полевых условиях на объектах хранения и транспортировки. Имеются предпосылки, что метод термостимулированной акустической эмиссии (ТАЭ) может стать эффективным и, что самое главное, оперативным инструментом исследования структуры и свойств ископаемых углей. 

Термоакустоэмиссионные испытания велись на лабораторной установке. Все исследованные образцы  угля доводились до формы призм. На противоположных поверхностях фиксировались акустические преобразователи. На соседних поверхностях закреплялись нагревательные элементы.  Измерительная информация с приемных преобразователей регистрировалась с помощью акустико-эмиссионной измерительной системы A-Line 32D. В ходе ТАЭ испытания образцы подвергались двум последовательным термоударам,  нагрев со средней скоростью  от 8 до 15 ^оС/мин. Первый термоудар проводился так, чтобы максимальная температура Т_max^I прогрева образца была равна или превышала 100 ^оС, но не более 140 ^оС. Значение максимальной температуры Т_max^II второго термоудара определялось соотношением Т_max^II = Т_max^I + (30÷50) ^оС. Каждый из термоударов осуществлялся до тех пор, пока одновременно не выполнялись следующие условия:

1) с момента начала нагрева образца прошло не менее 20 мин.

2) уровень акустической эмиссии снизился до фоновых значений, примерно в полтора раза меньших уровня акустической эмиссии, 

Параллельно с термоударными воздействиями, выдержкой образца при заданной температуре и его остыванием непрерывно регистрировалась активность Ṅ_S ТАЭ. Первый термоудар гарантировал удаление содержащейся в угле влаги, после чего можно перейти ко второму термоудару, уровень активности ТАЭ в ходе которого будет отражать количество структурных связей в образце, разрушаемых под влиянием температурного воздействия.

Регистрируемый в ходе нагрева образцов углей и выраженный в абсолютных значениях (количество импульсов в единицу времени) уровень активности акустической эмиссии определяется также размером этих образцов. Кроме того, этот уровень зависит от исходной и приобретенной в ходе транспортировки и подготовки проб макротрещиноватости, их вещественного состава и, собственно, термической деградации рассматриваемого геоматериала. Поэтому у образцов угля с примерно одинаковой термостойкостью, но, например, разным размером и расположением (аномальной концентрацией на некотором участке) включений, абсолютная величина уровня акустической эмиссии, будет различаться. Это обусловливает необходимость нормирования уровня активности акустической эмиссии в ходе второго термоудара к некоторому безразмерному показателю. Последний должен учитывать только изменения структуры и связанных с ней свойств угля.

Экспериментально установлено, что при остывании образца, когда происходит освобождение геоматериала от действия термических нагрузок, сохранившие целостность связи испускают импульсы акустической эмиссии за счет возвращения в исходное ненапряженное состояние. Причём, такие помеховые факторы как размер образцов, их макротрещиноватость, аномальные включения и т.д. образца одинаково влияют на уровень активности акустической эмиссии и при нагреве, и при остывании.

Следовательно, рассчитав отношение уровней акустической эмиссии угля при его нагреве и остывании можно получить безразмерный коэффициент k_td термической стойкости, свободный от влияния указанных помеховых факторов и показывающий соотношение структурных связей, разрушенных и сохранившихся при термическом воздействии.

Так как для численной оценки уровня ТАЭ был использован такой показатель, как средняя за определенный период времени активность M(Ṅ_Sn) акустической эмиссии угля, то отношение этого показателя, полученного при нагреве угля [M(Ṅ_Sn)^н] и его остывании [M(Ṅ_Sn)^о], определяет искомый коэффициент k_td = M(Ṅ_Sn)^н/M(Ṅ_Sn)^о.

Эпштейн С.А. Обоснование и разработка методов изучения структурных особенностей углей для определения динамики их свойству под влиянием внешних воздействий.
Вознесенский А.А. Повышение эффективности установок промышленной теплотехники.
Р.М.Быков. О взаимосвязи между некоторыми характеристиками углей. ГИАБ.
Требования к безопасности углей и производственных процессов их добычи, переработки, хранения и транспортировки : технический регламент Республики Казахстан.

Features of thermally stimulated acoustic emission in samples of anthracite, lignites and bituminous coals subject to cyclic thermal loading have been experimentally investigated. For the first time it has been shown that there exists a relationship of such patterns with structural parameters and properties of the samples, as well as their thermal resistance. The results indicate possibility of applying the method of thermally stimulated acoustic emission to control processes of cryogenic desintegration of fossil coals. The description have been presented for the equipment and methodological support needed for the implementation of this method.