7.2.8. Хрупко-пластические свойства угля

Хрупко-пластические свойства угля определяют величину затрат энергии на выемку единицы объема угля из пласта (удельная энергия резания). Работа разрушения упруго-пластичных горных пород (пород, обладающих хрупко-пластическими свойствами) была рассмотрена в главе 5 (§5.2.3). То же обстоятельство имеет место и для углей.

Существуют различные оценки хрупко-пластических свойств углей. Б.М. Лейбовым был введен относительный показатель пластичности угля, который, по сути, является реологической характеристикой угля, поскольку определяется через относительное падение напряжений при релаксации в результате выдержки угольной пробы под давлением в течение 16 часов. Этот показатель в явном виде зависит от степени метаморфизма угля. При переходе от группы угля 1Б до 3Б (табл. 7.6) показатель пластичности уменьшается от 30% до 8% и далее от группы Д до 3А – до 3%.

П ри изучении процессов резания угля с помощью резцов было обнаружено, что удельная энергия резания зависит от величины угла бокового развала - борозды резания (рис. 7.12). Выражение для удельной энергии резания легко получить из следующих соображений. При постоянном усилии резания работа разрушения будет равна - , где - толщина стружки, - длина пути, на которую перемещается резец. В то же время разрушаемый объем угля составит величину - . Откуда выражение для удельной энергии резания будет

. (7.12)

Если - выражена в кВтч/м³, - в кгс/см (напомним что 1 кгс = 9,8 Н/см = 0,98 Н/мм), а - и в см, то в выражении для удельной энергии резании появится множитель , т.е.

. (7.12’)

Легко видеть, что угол бокового развала является характеристикой физико-механических свойств угля. Причем наименьшее значение удельной энергии резания согласно выражению (7.12) будет при - , наибольшее значение – при . По опытным данным резания различных материалов следует, что первый случай характерен для хрупких материалов, второй – для пластичных материалов.

В то же время угол бокового развала и толщина стружки не являются независимыми параметрами. Между ними установлена корреляционная связь

, (7.13)

где - так называемый показатель хрупкости угля.

Следовательно, величины угла бокового развала и показателя хрупкости, могут служить мерой хрупко-пластических свойств угля.

7.2.9. Параметры гранулометрического состава добытого угля

Выше уже шла речь о том, что определение показателя сопротивляемости угля резанию с помощью эталонного резца (так же как и угла бокового развала) достаточно сложно. Однако существует и другой способ оценки хрупко-пластических свойств угля, основанный на анализе гранулометрического состава добытого угля.

Гранулометрический состав является важной характеристикой технологии добычи и переработки угля. Например, с точки зрения безопасного ведения очистных работ повышенный выход штыба, а особенно пылевых фракций (частиц с характерным размером десятки – первые сотни микрон) создает предпосылки взрыва углевоздушной смеси. Крупность угля и ее выдержанность определяют стоимость угля как сырья.

Наиболее вероятным процессом получения куска угля является однократное воздействие исполнительного органа добычного комбайна на пласт. Поэтому гранулометрический состав угля вплоть до пылевых фракций хорошо описывается интегральным распределением Вейбулла для выхода подрешетного продукта

или , (7.14)

где - параметр формы распределения; - параметр масштаба; - диаметр отверстий сита, через которое проходит от всей пробы угля.

Анализ рассевов показывает, что параметр формы практически не зависит от технологии резания, а определяется только типом угля и, следовательно, может служить характеристикой хрупко-пластических свойств угля. Поэтому параметр формы имеет специальное название: показатель способности угля к измельчению. В свою очередь параметр масштаба зависит от технологии резания и еще называется показателем степени измельчения угля.

Действительно, из вида выражений (7.14) следует, что параметры - и взаимозаменяемы, но характерный размер куска должен зависеть от способа добычи, например, от толщины среза, тогда как другой параметр - должен определяться природой разрушаемого объекта. Только в этом случае распределение (7.14) имеет физическое обоснование. В конечном итоге, можно прейти к выводу, что между показателем хрупкости угля и показателем способности угля к измельчению существует надежная корреляционная связь.

Согласно документу «Методика определения показателя способности угля к измельчению» (ИГД им. А.А. Скочинского, Москва, 1974) корреляционная связь между показателем хрупкости угля - и показателем способности угля к измельчению - с минимальным количеством подгоночных параметров имеет вид

, (7.15)

где подгоночные параметры принимают значения - , .

Показатель способности угля к измельчению вычисляется по данным рассева ( и ) по методу наименьших квадратов как тангенс угла наклон прямой, полученной линеаризацией функции (7.14). Для большинства углей показатель способности угля к измельчению лежит в интервале 0,4…1,2. По показателю хрупкости угли подразделяются на вязкие ( ), хрупкие ( ) и весьма хрупкие ( ), а также классифицируются на категории по разрушаемости. Соотношение между категориями углей по разрушаемости и классами по сопротивляемости углей резанию приведено в табл. 7.8.

Таблица 7.8

Соотношение между классификациями углей по разрушаемости и сопротивляемости углей резанию

Класс по сопротивляемости углей резанию	Интервалы показателя разрушаемости, Н/мм	Категория углей по разрушаемости		Особенности разработки углей
		Хрупкие	Вязкие
I	0…60	Весьма слабые	-	Могут добываться всеми видами выемочных машин
II	61…120	Слабые	-
			Средней крепости	Преимущественно узкозахватными комбайнами
III	121…180	Средней крепости	Выше средней крепости
IV	181…240	Выше средней крепости
			Крепкие	Либо широкозахватными комбайнами с пониженной производительностью, либо узкозахватными комбайнами
V	240…300	Крепкие
			Весьма крепкие	Требуется предварительное ослабление массива (нагнетание воды в пласт, рыхление буровзрывным способом)
VI	300…360	-
VII	360…420	-	Особо крепкие
VIII	>420	-

Примечательно отметить, что коэффициент отжима угля на кромке забоя уверенно оценивается через показатель хрупкости угля - в виде

. (7.16)

Поскольку отжим угля определяется непосредственно глубиной залегания пласта, которая, в значительной мере, связана с его генезисом, то тем самым можно подчеркнуть связь показателя хрупкости или показателя способности угля к измельчению с природой угля. В частности, классификация угольных пластов по пылеобразующей способности основана на значениях показателя способности угля к измельчению. Например, для одной и той же технологии добычи угля ( ) при - наблюдается повышенный выход пылевых фракций, при - будет иметь место обратная ситуация.

Смысл показателя степени измельчения легко понять для фиксированных значений - в (7.14), т.е. рассматривая уголь в пределах одного шахтопласта. Например, для малых значений - распределение гранулометрического состава добытого угля будет характеризоваться повышенным содержанием крупных фракций и пониженным – мелких фракций, т.е. другой степенью измельчения.

Таким образом, чтобы иметь достаточно полное представление о разрушаемости угольных пластов резанием, необходимо иметь информацию о показателях абразивности и сопротивляемости угля и минеральных включений резанию, а также о показателях хрупкости и степени измельчения угля по данным анализа гранулометрического состава. Петрографическое изучение угольных пластов позволяет оценить технологические параметры по соотношению между минеральными включениями и углистым веществом.