CC BY
84
I. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ГЕОМЕХАНИКА INDUSTRIAL SAFETY AND GEOMECHANICS
f
ч .
В.Г. Казанцев
д-р техн. наук, заведующий кафедрой Бийского технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И. И. Ползунова»
Д.В. Ботвенко
канд. техн. наук, заведующий лабораторией ОАО «НЦ ВостНИИ»
М.С. Сазонов
канд. техн. наук, старший научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
В.В. Высоцкий
старший преподаватель кафедры экспериментальной физики ФГБОУ ВПО «КемГУ»
УДК 622.831.31
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ГОРНЫХ ПОРОД
Представлены исследования пьезоэлектрического отклика горных пород - кварцита, песчаника и алевролита с различным содержанием диоксида кремния при статических и динамических нагружениях образцов. Предложен силовой критерий оценки возможности взрыва метановоздушной смеси при обрушениях горных пород.
Ключевые слова: ПЬЕЗОЭФФЕКТ, ГОРНАЯ ПОРОДА, ДИОКСИД КРЕМНИЯ, НАПРЯЖЕНИЕ
Результаты опытов по исследованию пьезоэлектрического эффекта у различных материалов и точность количественных измерений пьезоэлектрических параметров монокристаллов или текстур в значительной степени зависят от выбора методики измерения. Выбор методики определяется предполагаемой величиной пьезоэлектрического эффекта, а также электромеханическими свойствами исследуемого материала. Ввиду того, что в пьезоэлектрических материалах наблюдается прямой и обратный пьезоэффект, все методы
измерений можно разделить на две группы: использующие прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты.
Первую группу можно, в свою очередь, разделить на статические и динамические испытания образцов пород в зависимости от характера наложения механического усилия. В первом случае нагрузка или разгрузка образца производится многократно, периодически, во втором -однократно. Экспериментальные исследования показали, что оба метода приемлемы для изучения пьезоэлектрического эффекта горных пород
16
Изоляторы из
Верхняя плита пресса
оргстекла -1-1-
Выходы к \Образеп осциллограф? с заземлением \
^—
Нижняя плита пресса
а) б)
Рисунок 1 - Установка для определения пьезоэффекта горных пород: а) схематичное изображение; б) фотография экспериментальной установки
и минералов.
При статическом нагружении использовался жесткий механический пресс LOIS Schopper для испытания горных пород на сжатие и растяжение усилием до 10 000 кг, скорость нагру-жения составляла 20 мм/мин. Измерение разности потенциалов на образце горной породы в результате нагружения осуществлялось с помощью цифрового осциллографа Tektronix DPO 2024 по подключенным, припаянным к медным пластинкам (фольге), закрепленным на верхней и нижней гранях образца проводам (рис. 1 а).
Важными условиями проведения эксперимента являются заземление осциллографа, изоляция образца от металлических частей нагрузочного приспособления, чистка поверхности
образцов от инородных тел, высушивание образца до полного удаления влаги.
Перед началом экспериментов, в качестве теста, была опробована пьезозажигалка делителем напряжений для защиты осциллографа (рис. 2). Коэффициент деления схемы равен 200, т.е. значения, отображаемые осциллографом в вольтах, меньше действительных в 200 раз. В пьезозажигалке используется искусственный элемент - пьезокерамика. Вся используемая схема была проверена с помощью эталонного источника постоянного тока до 300 В, расхождение составило меньше 1 %.
Результаты исследований показали, что величина разности потенциалов, возникающая в пьезозажигалке между электродами, составляет
R=200 MOu
к оспн.1.юграф>
а) 6)
Рисунок 2 - Исследования с пьезозажигалкой: а) осциллограмма; б) пьезозажигалка; в) схема делителя напряжений
Деформация, %
Рисунок 3 - Диаграммы деформирования горных пород
17
8 160 В, а длительность этого импульса приблизительно равна 130 мс (рис. 2).
Далее было принято решение провести опыты на образцах горных пород с понижающей схемой и без нее. Первые же эксперименты показали небольшую величину разности потенциалов, поэтому в последующих опытах понижающая схема не использовалась. Диаграммы деформирования и физико-механические характеристики пород получены при одноосном сжатии образцов в соответствии с [1, 2] (табл. 1, рис. 3).
Для определения предела прочности при сжатии было подготовлено по пять образцов кубической формы каждого типа горной породы размерами 2x2x2 см, которые затем были тщательно отшлифованы до соответствия параллельности граней. Для определения модуля упругости было подготовлено по пять образцов призматической формы размерами 2x2x4 см каждого типа горной породы. Деформации измерялись с помощью индикаторов цифрового типа ИЦ с ценой деления 0,001 мм.
Все образцы нагружались до полного разрушения, при этом во время разрушения и откалывания кусков на осциллограмме были зарегистрированы импульсы напряжения (рис. 4). Важно отметить, что на образцах песчаника и алевролита при медленной скорости нагруже-ния (20 мм/мин) до разрушения образца амплитуда импульсов не превышала 1 В.
Максимальное значение напряжений на
гранях образца кварцита составило около 8 В при длительности импульса в 36 мс. Под импульсом понимается кратковременный всплеск уровня напряжений на осциллограмме в процессе деформирования образца горной породы. Динамический метод исследования пьезоэффекта горных пород отличается от статического скоростью прилагаемой нагрузки. В исследованиях воспроизводилось ударное нагружение образца. Следует отметить, что динамический метод моделирования наиболее близок к реальному процессу обрушения горных пород в выработанном пространстве.
Для исследования пьезоэлектричества горных пород была создана испытательная установка, позволяющая практически мгновенно прикладывать нагрузку на образец. Она представляет собой наковальню, на которую с определенной высоты сбрасывается груз известной массы по направляющим (рис. 1б), высота сбрасывания и масса груза варьировались.
При ударе среднее значение динамических напряжений в образце рассчитывалось по зависимости сопротивления материалов, приведенной к виду:
Чгп I _ . „„ ЕК
СТД =
_ "Ф
г'обр
1 + 2Н
обр
С"Гр1обр
(1)
где О - вес груза, Н;
Fобр- площадь поперечного сечения образца, м2;
Н - высота падения груза, м; Е - модуль упругости образца, Па;
Таблица 1 - Механические характеристики го рных пород
Горная порода Предел прочности при сжатии, МПа Модуль упругости, МПа Содержание диоксида кремния, %
Кварцит 115,9 1 742 62,0
Песчаник 50,7 996 33,0
Алевролит 44,0 753 33,0
-время от начала измерения
минимальное мачение (Вольт) максимальное шачеине (Вольт) ' масштаб по торшонталн (длина одной клетки) масштаб по вертикали (высота одной клетки)
а) б)
Рисунок 4 - Осциллограмма напряжений:
а) при испытании образца кварцита № 12, величина напряжений - 5,36 В, длительность всплеска - 4,8 мс;
б) при испытании образца кварцита № 16, величина напряжений - 8,68 В, длительность всплеска - 36 мс
18
1обр- высота образца, м.
Предел прочности при ударе определялся по разрушению образца, если же этого не происходило после первого удара, то высота сбрасывания груза увеличивалась на 8 см, что равносильно увеличению уровня напряжения на 9,15 МПа по формуле (1) для песчаника, а вес груза оставался неизменным. Таким образом было испытано 6 образцов песчаника (табл. 2).
При практически мгновенном приложении нагрузки динамический предел прочности при одноосном сжатии (75,8 МПа) для песчаника оказался на 49 % выше статического предела прочности (50,7 МПа).
Пьезоэлектрический модуль d определялся из выражения:
СТп1
и'
(2)
Л1 _ д
где ш _ Е - изменение длинны образца I при воздействии динамического давленияна его торец;
Е - модуль упругости материала образца, МПа; '
и - напряжения на обкладках образца, В.
Из анализа таблицы следует, что существует некоторая «критическая» высота образца, при которой наблюдается максимальное значение электрических напряжений. Объяснить это можно тем, что сам песчаник является диэлектриком, а электрическое напряжение инициируют кристаллы кварца, которые расположены в структуре песчаника в виде вкраплений. Чем меньше толщина пластинки песчаника, тем большее количество вкраплений песчаника сможет передать свой потенциал через диэлектрический песчаник на медные пластинки. Ниже (рис. 5) представлена осциллограмма образца песчаника № 45 с одним из наибольших значений величины напряжения.
В большинстве случаев длительность электрических импульсов составляет 3-4 мс. Необходимо уточнить, что регистрируемая осцил-
лографом разность потенциалов на обкладках образца во время испытания при динамическом приложении нагрузки является обобщенной величиной, куда входит величина пьезоэффекта и некоторая величина шумов, определяемая при «холостом» (без образца) испытании.
Во время испытания образца песчаника № 23 при первом и втором ударах видеокамера зафиксировала искру между образцом песчаника и обкладкой, при этом значения осциллографа не поднимались выше 24 В (рис. 6а, 6б). Величина разности потенциалов составляла 9 В, 12 мс (рис. 6в).
Существование искровых разрядов, зафиксированных в наших опытах, является прямым подтверждением возможности развития аварийных ситуаций, сопровождающихся взрывами метановоздушных смесей в выработанном пространстве вследствие возникновения искровых разрядов в горных породах в моменты их разрушения, а взрывы метановоздушных смесей при обрушениях горных пород - косвенным подтверждением. Например, в заключении экспертной группы по расследованию аварии с групповым несчастным случаем, произошедшей 08.05.2010 года на ОАО «Распадская» ЗАО «Распадская угольная компания» говорится, что по заключениям ОАО «НЦ ВостНИИ» породы почвы и кровли всех разрабатываемых пластов отнесены к взрывоопасным по фрикционному воспламенению метановоздушной смеси. Фрикционное искрение в выработанном пространстве при обрушении пород также исключается, поскольку посадок кровли, по свидетельствам работников шахты, не зафиксировано. Однако полностью исключить этот источник воспламенения метановоздушной смеси нельзя. Возможно только утверждать о малой вероятности данного события.
Комиссией по расследованию аварии на шахте «Кузбасская» 20.09.1976 года была рассмотрена одна из возможных причин иниции-
ЙОЛтС 5.39800c|Q/0.00В
-OMiffi. ШВ ЫВ/Рш
"iQFijHj:-: >64,1 В йрСредн.
<10Гц| <-51.2 В А| -82.4тВ 15:40:17
щ измерения измере
Моментальный снимок t^^J
Период ----.с Частота —.Гц
♦Длит. -X -Длит, 273.2ЛС
Вспышка 2T3.2JJC
Нараст. 485.0ЛС Слад 4.876тс
♦Сква*. -.* -Сквак. -.*
♦Выбр, 0,000* -Выбр, 0.000*
Высок. 5,600 В Низкое -33.60 В
Макс. 5,800 В Мин. -33.60 В
Ампл. 39.20 В казнах 39.20 b
Среди, -82.40тВ Ср. цикла ---В
Действ. 1.738 В CRMS ---.В
Область -32-ЭбтВс Цикобл --Вс
+ФР0НТЫ 1 -Фронты 1
♦Имп-сы 0 -Имп-сы 1
.... | ■шон мГэкра»
жа Снимок всех ров измерений
Рисунок 5 - Осциллограмма образца песчаника № 45 во время испытания при динамическом приложении нагрузки
19
Таблица 2 - Параметры образцов песчаника
№ образца Нагрузка, МПа Напряжение на обкладках образца, В Площадь образца, см2 Высота образца, см Пьезоэлектрический модуль, 10-3, м/В
16-1 52,24 3,2 3,05 2,05 0,34
16-2 61,39 6 3,05 2,05 0,21
16-3 71,2 6,6 3,05 2,05 0,22
16-4 81,42 4,4 3,05 2,05 0,38
18-1 63,75 4,24 3,98 2,261 0,34
18-2 67,86 2,88 3,98 2,261 0,53
19-1 71,65 2,72 3,79 2,13 0,56
19-2 76,41 3,52 3,79 2,13 0,46
25 81,04 10,24 7,65 2,944 0,23
26-1 78,31 8,2 7,71 3,111 0,30
26-2 78,31 11,2 7,71 3,111 0,22
27 80,4 5,2 7,49 3,038 0,47
22 84,11 19,8 12,65 4,314 0,18
23-1 78,7 23,61 14,7 4,24 0,14
23-2 78,7 9 14,7 4,24 0,37
24 89,8 18,4 13,66 3,943 0,19
28 87,05 23,61 12,25 4,159 0,15
40 202,6 25,6 4,72 0,647 0,05
47-1 198,05 25,6 4,7 0,68 0,05
47-2 198,05 22,2 4,7 0,68 0,06
49 229,73 25,6 4,63 0,684 0,06
29 123,67 8,8 6,64 2,743 0,39
30 130,37 11,2 6,01 2,727 0,32
45 240,45 33,6 4,13 0,7 0,05
46 191,45 20,4 3,83 0,893 0,08
44 199,83 20,4 3,89 0,807 0,08
Рисунок 6 - Результаты испытания образца песчаника № 23: а) первый кадр; б) второй кадр; в) осциллограмма испытания: 9В, 12,4 мс
рования взрыва метана разрушением пород кровли труднообрушаемого песчаника и песчанистого алевролита, в которой было описано, что в трещинах разрушения могли возникнуть высокие электрические поля, и создалась возможность протекания электрических зарядов, которые в свою очередь вызвали взрыв метана, находившегося в выработанном пространстве выемочного участка № 324.
Критерий возникновения опасной ситуации при обрушении горных пород может быть получен:
d • Si = Q > Qкр (3)
где Qкp - критическое значение заряда накапливающегося на поверхности раздела частей породы при разрушении, определяется экспериментально; Si - расчетная величина интенсивности напряжений в породах кровли.
Условие (3) необходимое, но недостаточное. Поскольку для возникновения искрового разряда должно состояться событие разрушения, необходимо совместно с соотношением (3) потребовать условие начала разрушения горной породы, например, используя энергетический критерий прочности:
к • ^ > в „ Ш (4)
где й>1 - коэффициент запаса прочности; [а] - предел прочности на растяжение/сжатие;
в п- коэффициенты приведения предельных характеристик образцов к реальным условиям.
Анализ результатов экспериментальных испытаний (табл. 3) показывает наличие зависимости уровня электрических напряжений от высоты образца, а также зависимость уровня электрических напряжений от значения механических напряжений сжатия (рис. 7). Хорошие значения корреляций (0,928 и 0,789) полученных закономерностей позволят в дальнейшем использовать представленные зависимости для моделирования процесса накопления электрических напряжений в горных породах.
В ходе испытаний песчаника на стенде, имитирующем мгновенное разрушение образцов под действием динамической нагрузки, одним из факторов, влияющих на уровень электрических напряжений, возникающих в породах, явилась естественная влажность образцов. Так, например, при испытаниях образцов песчаника, содержащих 0,8 % естественной влажности, получена величина максимального напряжения ~ 25 В. При уменьшении влажности до ~ 0 %, электрическое напряжение неизменно возрастало и составило порядка 58 В.
Важным моментом является исследование горных пород с различным содержанием
Рисунок 7 - Графики зависимости: а) электрических напряжений от высоты образца песчаника; б) электрических напряжений от механических напряжений в образце песчаника
Рисунок 8 - Осциллограмма образца кварцита № 18 во время испытания при динамическом приложении нагрузки
21
диоксида кремния, так как при испытании образца кварцита на установке при динамическом приложении нагрузки одинаковые по площади и высоте образцы кварцита и песчаника дают значительно разные результаты электрических напряжений (рис. 8).
Так, максимальные значения на образцах песчаника ^Ю2 = 33 %) размерами 2x2x2 см не превышают 7 В, а такие же образцы кварцита (&02 = 62 %) дают уже 25 В.
Дальнейшей задачей наших исследований является проверка предложенных критериальных зависимостей (3), (4) при испытаниях образцов из песчаника, алевролита и других пород
с высоким содержанием диоксида кремния по изложенной выше методике.
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
Существование искровых разрядов, зафиксированных в наших опытах, является прямым подтверждением возможности развития аварийных ситуаций, сопровождающихся взрывами метановоздушных смесей в выработанном пространстве вследствие возникновения искровых разрядов в горных породах в моменты их разрушения, а взрывы метановоздушных смесей при обрушениях горных пород - косвенным.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ГОСТ 21153.2-84. Методы определения предела прочности при сжатии. - Режим доступа: http:// ohranatruda.ru
2. ГОСТ 28985-91. Метод определения деформационных характеристик при одноосном сжатии. -Режим доступа: http:// ohranatruda.ru
EXPERIMENTAL STUDIES OF MINE ROCS PIEZOELECTRIC EFFECT D. V. Botvenko, V. G. Kazanzev, M. S. Sazonov, V. V. Vysotsky
Studies of the piezoelectric response of the mine rocks - quartzite, sandstone and siltstone with different content of silica under static and dynamic loading of the samples are presented. We propose a power criterion for explosion possibility evaluating of methane-air mixture at the collapse of rocks.
Key words: PIEZOELECTRIC EFFECT, MINE ROCK, SILICA, STRESS
Казанцев Владимир Георгиевич е-mail: [email protected]
Ботвенко Денис Вячеславович е-mail: [email protected]
Сазонов Михаил Сергеевич е-mail: [email protected]
Высоцкий Владимир Владимирович е-mail [email protected]
Разработка и реализация проектов промбезопасности
промбезопасности
22
