Entwicklung der Festigkeitseigenschaften von Briketts und Rohkohle enthaltenden Flüssigkeiten

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 593 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die mechanischen Eigenschaften der kohlehaltigen Flüssigkeit sind ein wichtiger Faktor für den sicheren Abbau von Weichkohleflözen. Insbesondere bei Kohle der Klassen III–V können Kohle- und Gasausbrüche sowie andere dynamische Phänomene aufgrund der Einflüsse von Gasdruck und Grundwasser auftreten, die die Sicherheit und das Leben der Feldarbeiter ernsthaft gefährden. Bei Labortests an Kohleproben der Klasse III–V werden jedoch üblicherweise Brikettproben anstelle von Rohkohle verwendet. Ob die Forschungsergebnisse für Brikett- und Rohkohle konsistent sind und ob Brikettkohle Rohkohle in der Forschung zu Festigkeitseigenschaften ersetzen kann, muss weiter überprüft werden. In dieser Arbeit wird die Entwicklung der Festigkeitseigenschaften von flüssigkeitsführender Brikettkohle und Rohkohle untersucht. Die Festigkeitseigenschaften, Instabilitätsversagenseigenschaften und Schallemissionseigenschaften von Rohkohle und Brikettkohle unter einachsiger und dreiachsiger Kompression werden detailliert analysiert. Darüber hinaus wird der Einfluss des Wassergehalts und des Porendrucks auf die Festigkeitseigenschaften von Rohkohle und Brikettkohle der Klassen III–V weiter untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass das Versagen von Rohkohle insgesamt ein sprödes Versagen ist, hauptsächlich axiales Spaltversagen, während das von Brikett ein insgesamt duktiles Versagen ist, hauptsächlich kegelförmige kontinuierliche Abplatzungen. Die Festigkeitsparameter der Rohkohle und Brikettkohle verbessern sich unter Sperrdruck, der innere Unterschied in der Rohkohle nimmt jedoch deutlich ab. Die Kohäsion der Rohkohleprobe nimmt mit zunehmendem Wassergehalt zunächst zu und dann ab, und der innere Reibungswinkel nimmt mit zunehmendem Wassergehalt zu. Darüber hinaus wird bestätigt, dass die Festigkeit, der Zusammenhalt, der Elastizitätsmodul und der Verformungsmodul des Briketts mit zunehmendem Porendruck bei unterschiedlichen Porendrücken abnehmen, der Festigkeitsunterschied der Kohle der Klasse III–V jedoch bei zunehmendem Porendruck abnimmt. Basierend auf den oben genannten Ergebnissen werden die Festigkeitsparameter eines Kohlekörpers mithilfe des Hoek-Brown-Kriteriums (H–B) geschätzt. Basierend auf einem Vergleich der Festigkeitsparameter der Kohleprobe und des Kohlekörpers liegen die geschätzten Festigkeitsparameter des Kohlekörpers näher an den tatsächlichen Werten vor Ort.

Die mechanischen Eigenschaften der kohlehaltigen Flüssigkeit sind ein wichtiger Faktor für den sicheren Abbau von Weichkohleflözen, insbesondere von Kohle der Klasse III–V. Unter dem Einfluss von Gasdruck, Grundwasser und anderen Faktoren kann es zu Kohle- und Gasausbrüchen und anderen dynamischen Phänomenen kommen, die die Sicherheit und das Leben der Feldarbeiter ernsthaft gefährden. Bei Labortests von Kohleproben der Klasse III–V werden jedoch üblicherweise Brikettproben verwendet. Ob die Forschungsergebnisse für Briketts und Rohkohle konsistent sind und ob ein Brikett Rohkohle in der Forschung zu Festigkeitseigenschaften ersetzen kann, muss noch überprüft werden. Viele Forscher in China und im Ausland haben seit langem zahlreiche eingehende und detaillierte Studien zu den mechanischen Eigenschaften kohlehaltiger Flüssigkeiten durchgeführt. Die Kohleprobe ist ein wichtiger Teil des Kohlekörpers. Die Forschungsobjekte der mechanischen Eigenschaften einer Kohleprobe werden hauptsächlich in zwei Arten unterteilt: Rohkohle und Briketts. Bei Kohle der Klassen I und II ist die Struktur des Kohlekörpers relativ hart und bietet die notwendigen Voraussetzungen zum Bohren einer Rohkohleprobe. Daher werden bei solchen Untersuchungen üblicherweise Rohkohleproben verwendet. Bei Kohle der Klasse III–V ist die Vorbereitung von Rohkohleproben schwierig, und Briketts sind viel einfacher zu erhalten als Rohkohleproben, weshalb bei solchen Untersuchungen häufiger Brikettproben verwendet werden. Bei einem Brikett handelt es sich jedoch um eine sekundäre Brikettierkohleprobe, die die strukturellen Eigenschaften der Rohkohleprobe selbst zerstört. Kohle der Klasse III–V ist relativ gebrochen und ihre Eigenschaften ähneln denen der Massenstruktur. Daher muss noch überprüft werden, wie groß der Unterschied zwischen Kohleproben dreier Arten ist und ob ein Brikett Rohkohle in der Forschung zu Festigkeitseigenschaften ersetzen kann.

Fließführende Kohle und Rohkohle wurden eingehend untersucht. Beispielsweise führten Yang Ke et al.1 dynamische Spalttests unter Stoßbelastung an verschiedenen wassergeschnittenen Kohleproben durch. Die Energiedissipationseigenschaften der Kohleproben während des Bruchprozesses wurden für verschiedene Wassergehalte ermittelt und der Einfluss des Wassergehalts auf die fraktale Dimension der gebrochenen Kohleproben analysiert. Die fraktale Dimension der Kohleproben nahm mit zunehmendem Ladedruck zu und die Anstiegsrate verlangsamte sich. Unter dem gleichen Belastungsdruck war die fraktale Dimension der gesättigten Kohleprobe am größten und die der trockenen Kohleprobe am kleinsten. Lai Xingping2 führte einachsige Kompressionstests an Kohle- und Gesteinsproben mit unterschiedlichem Wassergehalt durch und stellte fest, dass bei einachsiger Kompression der Versagensmodus der Kohle- und Gesteinsproben mit unterschiedlichem Wassergehalt Scherversagen war und der Scherriss tendenziell komplexer wurde Erhöhung des Wassergehalts. Yubing Liu3 untersuchte die Entwicklung der Richtungspermeabilität von vollständiger Kohle und gebrochener Kohle unter verschiedenen simulierten geologischen Bedingungen. Das Vorhandensein von Wasser in Kohle kann die Permeabilität um eine Größenordnung verringern, und in Kohleproben mit groben Makrofrakturen nimmt die Permeabilität deutlich ab. Lu Aihong4 diskutierte den Einfluss des Wassergehalts auf die mechanischen Eigenschaften und die Energiedissipation einer Gesteinsmasse unter dynamischer Belastung. Als der Wassergehalt von 0 auf 2,58 % stieg, nahm die Zerkleinerungsrate der großen Partikel ab und die Zerkleinerungsrate der kleinen Partikel nahm allmählich zu. Bei einem Wassergehalt von 2,01–2,58 % nahm die fraktale Dimension linear zu, was darauf hindeutet, dass die fraktale Dimension des gebrochenen Sandsteins umso größer war, je höher der Wassergehalt war. Die Ergebnisse der Energieberechnung zeigten, dass die Energie der Sandsteinprobe den Spitzenwert erreichte, wenn der Wassergehalt 0 % betrug. Bei einem Wassergehalt von 2,01–2,58 % nahm die Reflexionsenergie zu, während die Transmissionsenergie und die Dissipationsenergie linear abnahmen. Darüber hinaus analysierte Qiangling Yao5 den Einfluss des Wassergehalts auf die Festigkeits- und Verformungseigenschaften von Proben. Mit zunehmendem Wassergehalt der Kohleprobe wies die gesamte Spannungs-Dehnungs-Kurve die Merkmale einer plastischen Verformung auf. Es besteht eine positive lineare Beziehung zwischen der Spitzendehnung und dem Feuchtigkeitsgehalt und eine negative lineare Beziehung zwischen der Druckfestigkeit und dem Feuchtigkeitsgehalt. Wang Wen6 diskutierte die mechanischen Eigenschaften wasserführender Kohleproben unter kombinierter dynamischer und statischer Belastung und führte dreidimensionale kombinierte dynamische und statische Belastungs- sowie dreidimensionale statische Belastungsvergleichstests an natürlichen Kohleproben und 7 Tage lang gesättigten Kohleproben durch verbesserte geteilte Hopkinson-Druckstange (SHPB) und RMT-150-Testsystem. Die Ergebnisse zeigten, dass die Wassersättigung einen signifikanten Einfluss auf die Festigkeit der Kohleproben hatte, die Dehnungsrate jedoch eine primäre steuernde Rolle spielte. Unter Bedingungen mittlerer bis hoher Dehnungsgeschwindigkeit führt die Kopplung zwischen Bruchwasser und Bruch zu einer größeren Steifigkeit, und die dynamische Festigkeit einer wassergesättigten Kohleprobe erhöht sich unter dreidimensionaler kombinierter dynamischer und statischer Belastung. Jiang Jingdong et al.7 untersuchten den Einfluss des Wassergehalts auf die mechanischen Eigenschaften und Versagensmechanismen von Gesteinen. Sie fanden heraus, dass je niedriger der Wassergehalt, desto geringer der Grenzdruck, desto schwerwiegender die Schäden im Inneren des Tonsteins und desto schwächer die Plastizität. Viele Forscher haben lange Zeit relevante Forschungen im Hinblick auf die mechanische Festigkeit von Kohleproben mit unterschiedlichen Wassergehalten durchgeführt und zahlreiche Forschungsergebnisse erhalten8,9,10,11. In experimentellen Studien wurde jedoch wenig darauf geachtet, ob Kohle mit unterschiedlichem Wassergehalt Rohkohle ersetzen kann und ob die Festigkeitseigenschaften von Kohleproben mit unterschiedlichem Wassergehalt die Festigkeitseigenschaften des Kohlekörpers widerspiegeln können. Daher wurden in dieser Studie die Festigkeitseigenschaften von fließführender Kohle und Rohkohle untersucht. Durch eine vergleichende Analyse der Festigkeitseigenschaften, Instabilität und Schallemissionseigenschaften von Rohkohle- und Brikettproben unter einachsiger und dreiachsiger Kompression wurden die Variationen der Festigkeitseigenschaften von Brikett und Rohkohle bei unterschiedlichen Wassergehalten und Porendrücken untersucht, um sie aufzudecken die Entwicklung der Festigkeitseigenschaften von Fließkohle und Rohkohle.

Um die Festigkeitseigenschaften von Rohkohle- und Brikettproben unter Berücksichtigung der Schwierigkeit der Rohkohleverarbeitung zu vergleichen, wurde eine Kohleprobe mit vollständiger Struktur und hoher Härte ausgewählt, die sich leicht mahlen ließ. Die Kohleprobe wurde aus dem Kohleflöz Nr. 3 im Kohlebergwerk Huoerxinhe in der Stadt Changzhi in der Provinz Shanxi entnommen. Es wurde eine Kohleprobe mit relativ vollständiger Struktur erhalten, deren Versagensart Kohle der Klasse II war. Zuerst wurden mit einer Schneidemaschine zwei parallele Ebenen geschnitten, um die Rohkohleprobe abzugrenzen, und dann wurde mit einer Kernbohrmaschine ein zylindrischer Kohlekern mit einem Durchmesser von 50 mm × 100 mm senkrecht zur Bettungsrichtung gebohrt. Die beiden Enden der gebohrten Kohleprobe wurden mit einer Schleifmaschine geglättet. Die Probe wurde 48 Stunden lang an einem belüfteten Ort auf natürliche Weise trocknen gelassen und es wurden mehrere Kohleproben vorbereitet (Abb. 1).

Aufbereitung der Rohkohleproben.

Um die Unterschiede in den Festigkeitseigenschaften von Brikett und Rohkohle zu vergleichen, wurde die nach dem Bohren der Rohkohleproben verbleibende Kohle zur Herstellung der Brikettproben verwendet. Die Rohkohle wurde mit einer Kugelmühle zerkleinert und vereinheitlicht. Dann wurde es in eine Standardform gelegt, die aus einem Matrizenzylinder, einem Druckkolben und einem Entformungszylinder bestand. Der Innendurchmesser des Matrizenzylinders betrug 50 mm und die Höhe 200 mm. Die pulverisierte Kohle wurde in den Formzylinder gegeben, der Druckkolben eingesetzt, mit der Presse ein Druck von 100 MPa angelegt, der Druck nach Stabilisierung 30 Minuten lang gehalten und der Formzylinder zum Entformen auf die Presse gestellt. Nachdem die Brikettprobe entnommen worden war, wurde ihre Größe gemessen und aufgezeichnet und man ließ sie außerdem 48 Stunden lang an einem belüfteten Ort auf natürliche Weise trocknen. In Abb. 2 sind mehrere Brikettproben dargestellt.

Bearbeitung der Brikettproben.

Die Spannungs-Dehnungs-Kurven für die einachsigen Kompressionstests, die an den beiden Kohleproben durchgeführt wurden, sind in Abb. 3 dargestellt. Die Ordinate ist der axiale Druck σ1 und die Abszisse die Dehnung ε. Die Änderungstendenzen der beiden in Abb. 3 dargestellten Kurven sind grundsätzlich gleich. Bevor sie die höchste Festigkeit erreichen, durchlaufen sie eine Verdichtungsphase, eine lineare elastische Phase und eine plastische Phase. Das Brikett durchläuft ein Versagensstadium, während die Rohkohle in diesem Stadium einen plötzlichen Zusammenbruch erfährt.

Spannungs-Dehnungs-Kurven von Kohleproben unter einachsiger Kompression.

Da es in der Verdichtungsphase keine offensichtliche Strukturebene in den beiden Arten von Kohleproben gibt, sondern sich die inneren Risse und Poren unter der axialen Belastung allmählich schließen, zeigen die Kurven ein nichtlineares Wachstum, der Dehnungszuwachs nimmt mit zunehmender Spannung ab und die Kurve beugt sich nach unten. In diesem Stadium ist die Verdichtung der Rohkohleprobe offensichtlicher und die Krümmung ist größer als die der Brikettprobe, was zeigt, dass die Schließung der ursprünglichen inneren Defekte in der Rohkohleprobe offensichtlicher ist. Die Krümmung der Kurve in diesem Stadium kann die gleichmäßigere Verteilung der Porosität in der Brikettprobe im Vergleich zu der der Rohkohle widerspiegeln. Aufgrund der einheitlichen Partikelgröße und des hohen Drucks, der bei der Herstellung angewendet wird, kann der innere Teil der Brikettprobe als isotrop angesehen werden. Die Steigung der Kurve für die Rohkohle in diesem Stadium wird jedoch durch das Vorhandensein von Poren, Rissen und Hohlräumen verursacht, die große Veränderungen verursachen. Die Rohkohleprobe tritt bei 14–22 % der Spitzenspannung in die lineare Phase ein, während die Brikettprobe bei 32 % der Spitzenspannung in die elastische Phase eintritt. Diese Ergebnisse spiegeln die Tatsache wider, dass die Gesamtzahl der Risse im Brikett größer ist als in der Rohkohle und die Verdichtungsphase des Briketts länger ist als die der Rohkohle.

Im elastischen Stadium nehmen Spannung und Dehnung linear zu. Die Verformung der Kohleprobe kann nach dem Entladen wiederhergestellt werden. Aufgrund der unter axialer Belastung in der Kohleprobe entstehenden neuen Mikrorisse kann jedoch nur von einem quasi-elastischen Stadium ausgegangen werden. In diesem Stadium rekombinieren und verformen sich die pulverisierten Kohlepartikel in der Brikettprobe aufgrund der Existenz von Mikrorissen, und die Krümmung der Brikettprobe ist sanfter als die der Rohkohle. Im Vergleich zur Rohkohleprobe ist zu erkennen, dass die Plastizität der Brikettprobe stärker und die Steifigkeit der Rohkohle stärker ist. Dieses Stadium spiegelt jedoch die elastische Verformung der gesamten Kohleprobe wider.

Im plastischen Stadium, das auch als instabile Rissausbreitungsphase bezeichnet werden kann, ändert sich die Spannungs-Dehnungs-Kurve von linearem zu nichtlinearem Wachstum, die inneren Risse beginnen sich durch Reibung leicht auszudehnen, das Gleiten zwischen den Partikeln erzeugt neue Risse und die Kohle Die Probe weist eine plastische Verformung auf. In diesem Stadium nimmt die axiale Belastungskurve des Briketts zu.

Da die Axiallast kontinuierlich zunimmt, nachdem die Rohkohle die Spitzenspannung erreicht hat, dehnen sich die inneren Risse in kurzer Zeit weiter aus und entwickeln sich schließlich zu Makrorissen. Durch die Bildung dieser Makrorisse nimmt die maximale Tragspannung der Kohleprobe schnell ab. In diesem Stadium herrscht in der Brikettprobe eine Restlastspannung, und auf der Kurve zeigt die Spannungsreduzierung eine Zickzackform, während die Kurve der Rohkohleprobe einen abrupten Abfall zeigt, der mit der Bildung von Makrorissen in der Probe zusammenhängt Kohleprobe.

Am Beispiel einer repräsentativen Rohkohleprobe ist der Versagensmodus der Probe nach dem einachsigen Drucktest in Abb. 4 dargestellt. Nach Erreichen der Spitzenfestigkeit nimmt die Spannung aufgrund der großen Steifigkeit der Rohkohle abrupt ab und Die Spannungs-Dehnungs-Kurve nach dem Versagen kann nicht erfasst werden. Dieses Phänomen wird in der Versuchsmaschine gespeichert, nachdem aufgrund der unzureichenden Steifigkeit der Versuchsmaschine die ultimative Lagerspannung verloren gegangen ist12. Wenn die elastische potentielle Energie der Kohle plötzlich freigesetzt wird, weist die Kohleprobe eine große Spannung auf.

Unter einachsiger Kompression kommt es zum Versagen des Briketts.

Der geringe Spannungsabfall in der Nähe der Spitzenfestigkeit13 ist auf den kontinuierlichen Anstieg der Zugspannung unter der Wirkung des Schergleitens während der Kompression zurückzuführen, wodurch sich die Seitenwand der Kohleprobe trennt und zu einem Kompressionsstab wird. Unter der Einwirkung der höchsten Zugspannung bricht und kollabiert die Kohleprobe und weist insgesamt ein sprödes Versagen auf. Zuerst bricht die Seitenwand der Probe, und dann spaltet sich die Kohleprobe entlang des durchgehenden axialen Risses.

Der Versagensmodus des Briketts unter einachsiger Kompression ist in Abb. 5 dargestellt. Die Spannungs-Dehnungs-Kurve der Brikettprobe im Versagensstadium weist ein abnehmendes Sägezahnmuster auf. Durch den mechanischen Verschluss zwischen den Partikeln und die wasserbindende Wirkung der körnigen Kohle durch Druckbeaufschlagung entsteht ein Brikett. Obwohl zwischen den Partikeln aufgrund der Anwesenheit von Wasser ein bindender Wasserfilm entsteht, der die Schmierwirkung zwischen den Partikeln verstärken kann und der Brikettbildung nicht förderlich ist, wird bei der Zubereitung eine geringe Menge Wasser zugesetzt. Anschließend wird das Brikett an einem belüfteten Ort getrocknet, damit die gesamte Makroleistung des Briketts einen mechanischen Partikelverschluss aufweist. Beim Belastungsprozess ohne Begrenzungsdruck werden die Partikel im Inneren der Probe unter der Belastung zusammengedrückt und aneinander gerieben, wobei einige Partikel wieder zerbrechen und Partikel unterschiedlicher Größe bilden, wodurch die Beißkraft zwischen den Partikeln geschwächt wird. Wenn diese Kraft nicht ausreicht, um die axiale Last zu tragen, platzt die Seitenwand der Probe kontinuierlich von den Enden ab und die Spannung nimmt allmählich ab. Die Steifigkeit des Polsterblocks ist größer als die des Briketts, und seine innere elastische potentielle Energie ist kleiner und wird mit dem kontinuierlichen Abplatzen der Seitenwand der Kohleprobe freigesetzt. Durch den Endeffekt löst sich die Seitenwand der Kohleprobe vom Ende her kegelförmig ab und schließlich verliert der mittlere Teil der Kohleprobe seine Tragfähigkeit, was zum Bruch führt.

Das Versagen bildet sich bei Probe X2 unter einachsiger Kompression.

Die dreiachsigen Druckspannungs-Dehnungs-Kurven der Brikett- und Rohkohleproben sind in Abb. 6 dargestellt. Die Längsachse in Abb. 6 ist die Differenz zwischen dem Axialdruck σ1 und dem Grenzdruck σ3. Die Änderungstendenzen der beiden Kurvengruppen sind ungefähr gleich und die Festigkeitsparameter sind besser als bei einachsiger Kompression. Unter einem begrenzenden Druck ist das Verdichtungsstadium des Briketts nicht offensichtlich und die Risse und Poren in der Kohleprobe sind dichter geschlossen als bei einachsiger Kompression. Durch die Erhöhung der Reibung verringert sich der Scherschlupf zwischen den Partikeln. Unter unterschiedlichen Grenzdrücken ist der Verschlussgrad der inneren Risse unterschiedlich. Mit zunehmendem Einschlussdruck erhöht sich die Spitzenfestigkeit der Kohleprobe, das elastische Stadium der Rohkohle wird länger und das plastische Stadium des Briketts wird länger. Verglichen mit den Ergebnissen der einachsigen Druckversuche ist die Gesamtduktilität der Rohkohle größer, das Gesamtversagen jedoch immer noch spröde. Durch Pressen von körniger Kohle entsteht ein Brikett. Der begrenzende Druck erhöht die plastische Verformung der Kohleprobe, wodurch die Partikel dichter gepackt werden und die gesamte Probe weiterhin einem duktilen Versagen unterliegt. Wenn der Sperrdruck der Rohkohle 15 MPa erreicht, stimmen die Kurven der Verdichtungs- und linearen elastischen Abschnitte nahezu überein. Mit zunehmendem Sperrdruck ist die Dehnung der Kurven unterschiedlich und die innere Struktur der Kohle wird unter der Wirkung des Sperrdrucks dichter. Aufgrund des einschließenden Drucks wird die Kohleprobe ernsthaft beschädigt und der vollständige Fehlermodus kann nicht ermittelt werden.

Spannungs-Dehnungs-Kurven von Kohleproben unter einachsiger Kompression.

Für die direkten Scherversuche wurden drei Sätze typischer Rohkohleproben der Klassen III, IV und V mit unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten verwendet.

Die Kohleproben der Klassen III, IV und V wurden entsprechend dem vorgesehenen Feuchtigkeitsgehalt von 6–28 % in 12 Gruppen eingeteilt und gewogen. Basierend auf den Feuchtigkeitsgehalten der drei Kohlenarten wurde die Masse des hinzuzufügenden Wassers entsprechend der Masse der Kohleprobe berechnet. Mit einer Spritze wurde Wasser auf die flache Kohleprobe gesprüht, und dann wurde die Probe gleichmäßig gerührt und 24 Stunden lang in einem Probenbeutel versiegelt.

Nach 24-stündigem Wiegen der Kohleprobe wurde Vaseline auf die Innenseite des Ringmessers aufgetragen und gewogen. Die Kohleprobe wurde mit dem Ringmesser geschnitten, mit einem Gummihammer und der einheitlichen Verdichtungsmethode zur Kontrolle der Kompaktheit verdichtet und anschließend die Oberfläche wiederholt repariert. Die vorbereitete Ringmesserprobe wurde mit einer Kunststoffabdeckplatte abgedeckt.

Es wurden zwölf Proben mit demselben Feuchtigkeitsgehalt hergestellt und drei Gruppen direkter Schertests durchgeführt.

Die Variation der Kohäsionskraft der Rohkohle der Klassen III–V mit Wassergehalt ist in Abb. 7 dargestellt. Bei den drei Arten von Kohleproben nimmt die Kohäsionskraft zunächst mit zunehmendem Wassergehalt zu und dann ab. Der Variationsbereich der Kohäsionskraft der Kohleprobe der Klasse III mit Wassergehalt ist größer als der der Kohleproben der Klassen IV und V. Der optimale Feuchtigkeitsgehalt von Kohle der Klasse III liegt bei etwa 17 %, der von Kohle der Klassen IV und V bei etwa 15 %. Die Kohäsion von Kohle der Klasse III reagiert empfindlicher auf den Feuchtigkeitsgehalt.

Der Zusammenhang zwischen Kohäsion und Feuchtigkeitsgehalt.

Das Wasser in der Rohkohle besteht hauptsächlich aus freiem und gebundenem Wasser. Das gebundene Wasser wird aufgrund der elektrostatischen Anziehung der Partikeloberflächen fest um die Kohlepartikel adsorbiert, sodass es nicht frei fließen oder den hydrostatischen Druck übertragen kann14. Abhängig vom Abstand zwischen den Partikeln lässt sich gebundenes Wasser in zwei Arten einteilen: stark gebundenes Wasser und schwach gebundenes Wasser. Stark gebundenes Wasser wird stark von der elektrostatischen Kraft beeinflusst, während schwach gebundenes Wasser weniger davon betroffen ist und sich frei bewegen kann, sodass es einen wichtigen Teil des gebundenen Wasserfilms darstellt. Bei niedrigem Feuchtigkeitsgehalt ist der bindende Wasserfilm dünn, die Bindungswirkung schwach und es kann keine Agglomeratstruktur gebildet werden, sodass die Kohäsion gering ist15. Am Beispiel von Kohle der Klasse III nimmt der Wasserfilm-Bindungseffekt allmählich zu, wenn der Feuchtigkeitsgehalt 0–17 % erreicht, und durch den Kapillareffekt bildet sich auf der Oberfläche des Wasserfilms eine Oberflächenspannung, die sich positiv auf die interne Partikelbindung auswirkt der Kohleprobe. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt mehr als 17 % beträgt, wird der Wasserfilm zwischen den Partikeln allmählich dicker und das freie Wasser schwächt auch den Grad der Verbindung. Darüber hinaus nimmt aufgrund der Erhöhung der Wassersättigung die Matrixsaugwirkung der Kohleprobe allmählich ab16 und die Kohäsion nimmt allmählich ab, was auch die Festigkeit der Kohleprobe verbessert.

Die Beziehung zwischen dem inneren Reibungswinkel und dem Wassergehalt für lose Kohleproben der Klasse III–V ist in Abb. 8 dargestellt. Der innere Reibungswinkel nimmt mit zunehmendem Wassergehalt ab, die Beziehung weist jedoch einen geringen Anpassungsgrad und keine offensichtliche Gesamtkorrelation auf . Die Ergebnisse zeigen, dass der innere Reibungswinkel von Kohle der Klassen III und IV nahezu mit der Anpassungskurve des Wassergehalts übereinstimmt und sich der innere Reibungswinkel von Kohle der Klasse V stark mit dem Wassergehalt ändert.

Die Beziehung zwischen dem inneren Reibungswinkel und dem Feuchtigkeitsgehalt.

Der innere Reibungswinkel ist hauptsächlich die Verkörperung der Reibungsleistung der Kohleprobe, die hauptsächlich die durch die rauen Oberflächen zwischen den Partikeln verursachte Reibung überwindet. Mit zunehmendem Wassergehalt wird der gebundene Wasserfilm zwischen den Partikeln dicker, wodurch der Kopplungseffekt zwischen den Partikeln geschwächt und der Schmiereffekt zwischen den Partikeln erhöht wird. Somit nimmt der innere Reibungswinkel mit zunehmendem Wassergehalt ab.

Beim eigentlichen Kohlebergbauprozess wird Wasser in die Weichkohlewand injiziert, um die Stabilität der Kohlewand zu verbessern und Unfälle durch Kohle- und Gasausbrüche zu verhindern. Um den optimalen Wassergehalt der Kohlewand zu ermitteln, wurden Brikettproben mit unterschiedlichen Wassergehalten hergestellt. Es wurden fünf Arten von Brikettproben mit Wassergehalten von 2 %, 4 %, 6 %, 8 % und 10 % hergestellt. Aufgrund der geringen Streuung der Brikettproben musste für jeden Feuchtigkeitsgehalt eine Brikettprobe vorbereitet werden.

Die Ergebnisse des einachsigen Drucktests für die Kohleproben mit unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten sind in Tabelle 1 dargestellt, und die einachsige Druckspannungs-Dehnungs-Kurve ist in Abb. 9 dargestellt.

Spannungs-Dehnungs-Kurven der Kohlebrikettproben mit unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten unter einachsiger Kompression.

Der Verlauf der einachsigen Druckfestigkeit und des Elastizitätsmoduls der Kohleproben mit unterschiedlichem Wassergehalt ist in Abb. 10 dargestellt. Die Festigkeit und der Elastizitätsmodul des Briketts nehmen mit zunehmendem Wassergehalt in einem bestimmten Bereich zu. Bei einem Wassergehalt von 6 % erreichen Festigkeit und Elastizitätsmodul der Kohleprobe maximale Werte. Wenn der Wassergehalt von 0 auf 6 % steigt, erhöht sich die Festigkeit um 28 % und der Elastizitätsmodul um 27 %. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt mehr als 6 % beträgt, weisen die Festigkeit und der Elastizitätsmodul der Kohleprobe einen abnehmenden Trend auf. Feuchtigkeit ist jedoch ein wesentlicher Bestandteil, und ein angemessener Wassergehalt kann den Zusammenhalt zwischen den Kohlepartikeln während des Brikettherstellungsprozesses erhöhen.

Die passenden Kurven des Feuchtigkeitsgehalts gegenüber (a) der einachsigen Druckfestigkeit und (b) dem Elastizitätsmodul.

Die Festigkeit der Kohleprobe setzt sich hauptsächlich aus ihrer eigenen Kohäsionskraft und der durch die Ladung erzeugten Reibungskraft zusammen17. Wenn der Wassergehalt der Kohleprobe niedrig ist, gibt es wenig freies Wasser zwischen den Partikeln in der Kohleprobe und die durch das kombinierte Wasser gebildete Flüssigkeitsbrücke erzeugt fast keine wirksame Kraft. Unter Belastung können sich die Partikel in der Kohleprobe nicht relativ zueinander bewegen und bilden eine dichte Struktur, was die Festigkeit der Probe verringert. Zu diesem Zeitpunkt hängt die Festigkeit hauptsächlich von der Reibung ab. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt zu hoch ist, ist der Wasserfilm zwischen den inneren Rissen und den Partikeln der Kohleprobe dick, was die Verbindung zwischen den Partikeln schwächt und die Festigkeit der Probe verringert18. Eine angemessene Menge Feuchtigkeit spielt eine schmierende Rolle zwischen den Partikeln in der Kohleprobe. Unter hohem Druck entsteht ein Brikett, wodurch die Partikel unter Belastung leicht aneinander reiben können. Kleine Partikel dringen in die Räume zwischen den großen Partikeln ein und der durch den mechanischen Verschluss zwischen den Partikeln erzeugte Zusammenhalt führt dazu, dass die Struktur der Kohleprobe dichter wird, wodurch die Festigkeit der Kohleprobe ihr Maximum erreicht19,20. Daher ist die Bestimmung eines angemessenen Feuchtigkeitsgehalts hilfreich für die Verbesserung der Festigkeit von Kohleproben.

Um die triaxialen Festigkeitseigenschaften von Kohleproben der Klasse III–V unter verschiedenen Porendrücken und Einschlussdrücken zu erhalten, wurden Porendrücke von 0,2 MPa, 0,4 MPa, 0,6 MPa und 0,8 MPa ausgewählt. Um die Ergebnisse mit den zuvor dargestellten Festigkeitseigenschaften einer Kohleprobe ohne Porendruck zu vergleichen, wurden Drücke von 0,6 MPa, 0,8 MPa und 1,0 MPa ausgewählt. Abschließend wurden die Unterschiede in den Festigkeitseigenschaften von Kohleproben der Klasse III–V bei gleichem Porendruck und Einschlussdruck verglichen.

Das Testsystem bestand hauptsächlich aus einer Felsmechanik-Testmaschine RMT-150B, einer verbesserten Probenkammer, einer Hochdruck-CO2-Gasquelle (aus Sicherheitsgründen wurde CO2 anstelle von CH4 verwendet) und einem CY-60-Gasdrucksensor.

Um einen Vergleich mit den Festigkeitseigenschaften der Kohleproben zu ermöglichen, wurden der gleiche Einschlussdruck und die gleiche Belastungsmethode angewendet. Xu Jiang et al.21 stellten durch die Durchführung von Vergleichsexperimenten unter Gas- und Stickstoffbedingungen fest, dass die Gasadsorptionssättigung nur geringe Auswirkungen auf den Verformungsgrad und die Spitzenfestigkeit von Kohleproben hatte. Daher hat die Sättigung der Kohleprobe kaum Einfluss auf die Versuchsergebnisse. Nachdem die Kohleprobe installiert worden war, wurde der Begrenzungsdruck auf den Zielwert eingestellt und CO2-Gas eingeleitet. Nachdem das Gas durch die Kohleprobe an die Außenseite des Geräts abgegeben und stabilisiert worden war, wurde das Auslassventil geschlossen und das Experiment durchgeführt.

Gemäß dem entworfenen Versuchsschema wurden insgesamt 10 Gruppen triaxialer Kompressionsexperimente mit unterschiedlichen Einschlussdrücken, Gasdrücken und Kohleprobentypen durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Die triaxiale Spannungs-Dehnungs-Kurve für einen konstanten Grenzdruck von 1 MPa ist in Abb. 11 dargestellt, und die Anpassungskurve des Porendrucks gegenüber der Festigkeit ist in Abb. 12 dargestellt.

Spannungs-Dehnungs-Kurven von Kohleproben mit unterschiedlichem Porendruck unter triaxialer Kompression.

Die Anpassungskurve der triaxialen Festigkeit gegenüber dem Porendruck.

Die Festigkeit der Kohleprobe nimmt mit zunehmendem Porendruck ab. Wie aus Abb. 12 ersichtlich ist, nimmt mit zunehmendem Porendruck die Dauer der plastischen Verformungsphase der Kohleprobe zu, was auf die Verstärkung des festen Begrenzungsdrucks während der Belüftung der Kohleprobe im Anfangsstadium zurückzuführen ist des Experiments.

Die dreiachsigen Spannungs-Dehnungs-Kurven für die Kohleproben vom Typ IV unter 0,8 MPa und 0 MPa sind in Tabelle 2 dargestellt. Unter dem Porendruck in der Verdichtungsphase biegt sich die Kurve der Kohleprobe nach oben, da im Inneren Porendruck herrscht Poren in der Kohleprobe im Abschnitt OA. Zu diesem Zeitpunkt, wenn die Axiallast zunimmt, ist die Richtung des Porendrucks entgegengesetzt zu der des Begrenzungsdrucks, und der Porendruck wirkt sich positiv auf die Bildung und Entwicklung von Poren aus, indem er einen Teil des Begrenzungsdrucks ausgleicht. Daher existiert die Verdichtungsphase kaum. Aus Abb. 11 ist ersichtlich, dass sich die Kurve mit abnehmendem Porendruck in der Verdichtungsphase allmählich von einer Aufwärtsbiegung zu einer Abwärtsbiegung ändert.

Die triaxialen Kompressionsspannungs-Dehnungs-Kurven für die Kohleproben vom Typ III–V unter Porendruck und konventionellen Bedingungen sind in Abb. 13 dargestellt. Die drei Kohleproben weisen offensichtliche Festigkeitsunterschiede in den herkömmlichen triaxialen Kompressionsexperimenten auf; Unter Porendruck sind die drei Kurven jedoch konsistent und die Spitzenfestigkeit und ihre Unterschiede werden weiter verringert. Darüber hinaus wird unter Porendruck der Unterschied in den inneren Strukturen der drei Arten von Kohleproben verringert.

Spannungs-Dehnungs-Kurven von Kohleproben der Klasse III–V unter verschiedenen Porendrücken und triaxialer Kompression.

Es gibt keine wirksame theoretische Methode, um den Unterschied in den mechanischen Umgebungen von Brikettkohle und Rohkohle nachzuweisen. In einer Gesteinsmasse im Feld werden das verallgemeinerte Hoek-Brown-Kriterium (H–B) und der geologische Festigkeitsindex (GSI) verwendet, um die mechanischen Parameter der Gesteinsmasse abzuschätzen und anschließend die mechanischen Eigenschaften der Gesteinsmasse zu untersuchen. Brown führte zahlreiche triaxiale Tests an Kohleproben durch und stellte fest, dass die Spitzenfestigkeit von Kohleproben mithilfe des HB-Kriteriums geschätzt werden kann. Als besonderes Gestein werden die mechanischen Parameter von Kohle mittels gesteinsmechanischer Experimente gemessen. Anschließend werden die Festigkeitsparameter der Kohlemasse mithilfe des verallgemeinerten HB-Kriteriums geschätzt, um eine Referenz für die Untersuchung der Festigkeitseigenschaften von Kohle bereitzustellen.

Generalisiertes H-B-Kriterium:

\(\sigma_{1} = \sigma_{3} + \sigma_{ci} (m_{b} \frac{{\sigma_{3} }}{{\sigma_{ci} }} + s)^{a }\), σ1 ist die maximale Hauptspannung bei Gebirgsversagen (MPa); σ3 ist die minimale Hauptspannung bei Gebirgsversagen (MPa); σci ist die einachsige Druckfestigkeit des intakten Gesteins (MPa); mb ist die Abwertung des empirischen Parameters mi des Gesamtgesteins; a ist die charakteristische Konstante einer gegliederten Gesteinsmasse; und s spiegelt den Grad der Gesteinsfragmentierung wider.

Die oben dargestellten einachsigen und dreiachsigen Kompressionsdaten für die Rohkohle- und Brikettproben wurden verwendet, um die Festigkeitsparameter des Kohlekörpers unter Verwendung der verallgemeinerten HB-Kriterien abzuschätzen. Der GSI wurde auf 55 geschätzt, indem die Eigenschaften des Kohlekörpers beschrieben wurden, aus dem die Kohleproben entnommen wurden. Die Festigkeitsparameter des Kohlekörpers wurden anhand des verallgemeinerten HB-Kriteriums berechnet. Die Daten sind in Tabelle 3 dargestellt.

Der Hauptbestandteil des Kohlekörpers ist der Kohleblock. Darüber hinaus umfasst es eine Strukturebene aus Fugen und Rissen, die den Kohlekörper in diskontinuierliche Kohleblöcke unterteilt. Der Hauptunterschied zwischen den Rohkohleproben und dem Kohlekörper besteht darin, dass die Strukturebene die Komplexität der Spannung und Spannungsverformung des Kohlekörpers erhöht, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften der beiden unterscheiden.

Die mechanischen Parameter der Kohleprobe und des Kohlekörpers sind in Tabelle 3 aufgeführt. Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass die Kohäsion, der innere Reibungswinkel und die einachsige Druckfestigkeit der Rohkohle- und Brikettproben alle größer sind als die entsprechenden geschätzten Werte für den Kohlekörper. Aufgrund der Existenz einer schwachen Strukturebene innerhalb des Kohlekörpers ist die einachsige Druckfestigkeit des Kohlekörpers weitaus geringer als die der Kohleprobe. Die anhand von Kohleproben geschätzte einachsige Druckfestigkeit des Kohlekörpers ist etwa dreimal so hoch wie die der Rohkohleproben und Brikettproben. Es gibt kaum Unterschiede zwischen den geschätzten Werten der Kohäsionskraft und des inneren Reibungswinkels. Aus der Formel ist ersichtlich, dass die Kohäsionskraft mit der Größe des inneren Reibungswinkels, der Festigkeit der Kohleprobe und der Auswahl des GSI-Werts der Kohlestruktur zusammenhängt, der GSI-Wert der Kohlestruktur jedoch einen großen Einfluss auf den Schätzwert. Der geschätzte Wert liegt bei 55, der Unterschied zwischen den beiden ist also nicht groß. Die mechanischen Parameter anderer Kohlekörper hängen stark von der Festigkeit der Kohleproben ab, sodass die anhand von Rohkohle- und Brikettproben geschätzten Festigkeitsparameter unterschiedlich sind.

Basierend auf den experimentellen Daten, die für die Kohleproben der Klassen III–V erhalten wurden, wird geschätzt, dass die GSI-Werte der Kohlekörperstruktur, aus der die Kohleproben der Klassen III–V entnommen wurden, gemäß Tabelle 20, 15 bzw. 5 betragen 4. Die geschätzten Ergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Tabelle 4 zeigt die geschätzten mechanischen Parameter der in dieser Studie erhaltenen Kohleproben sowie den Scherfestigkeitsparameter c der Kohle und der Kohleproben unter zwei Bedingungen. Die φ-Werte werden in Abb. 14 verglichen. Die Parameterwerte der Brikett- und Massenkohleproben weichen stark von den geschätzten Werten ab. Die gemessene Kohäsion der Kohlemassenproben ist zu gering und der innere Reibungswinkel zu groß. Die Kohäsion der Kohleproben nimmt von Klasse III auf Klasse V ab, während der innere Reibungswinkel nicht wesentlich schwankt. Im Gegensatz dazu nimmt die geschätzte Kohäsion der Kohleproben von Klasse III auf V zu und der innere Reibungswinkel schwankt leicht. Die geschätzten Werte der mechanischen Parameter sollten näher an der Realität sein und die Sicherheit und Zuverlässigkeit ihrer Verwendung in numerischen Simulationen und technischen Anwendungen erhöhen.

Balkendiagramme zum Vergleich der Kohäsions- und inneren Reibungswinkel von Kohleproben der Klasse III–V und der Kohlemasse.

Durch einachsige und dreiachsige Druckversuche wurden die Unterschiede zwischen den Festigkeitseigenschaften von Rohkohle und Brikettkohle analysiert. Die Versagensmerkmale von Rohkohle sind hauptsächlich axiales Spaltversagen und insgesamt sprödes Versagen, während es sich bei Brikettkohle hauptsächlich um duktiles Versagen aufgrund kontinuierlicher kegelförmiger Abplatzungen der Seitenwand handelt. Die Festigkeitsparameter von Rohkohle und Brikettkohle verbessern sich unter Sperrdruck und der innere Unterschied in der Rohkohle wird deutlich verringert.

Die Kohäsion c der losen Kohleprobe hat keine offensichtliche Korrelation mit ihrer fraktalen Dimension D, und der innere Reibungswinkel φ nimmt als negative Exponentialfunktion mit zunehmender fraktaler Dimension D ab. Die Kohäsion der Kohleprobe nimmt zunächst zu und nimmt dann mit zunehmendem Wasser ab Wassergehalt, und der innere Reibungswinkel nimmt mit zunehmendem Wassergehalt ab. Die Kohäsion von Kohle der Klasse III reagiert empfindlicher auf Änderungen des Wassergehalts, und der innere Reibungswinkel von Kohle der Klasse V reagiert am empfindlichsten auf Änderungen des Wassergehalts.

Die Festigkeit, der Elastizitätsmodul und der Verformungsmodul der Brikettkohle nehmen mit zunehmendem Wassergehalt zunächst zu und dann ab.

Unter unterschiedlichen Porendrücken nehmen Festigkeit, Kohäsion, Elastizitätsmodul und Verformungsmodul der Brikettkohle mit zunehmendem Porendruck ab, unter dem Einfluss des Porendrucks nimmt jedoch der Festigkeitsunterschied der Kohleproben der Klasse III–V ab.

Unter Verwendung des HB-Kriteriums wurde festgestellt, dass die Festigkeitsparameter der Kohleproben und der GSI-Wert der Kohlestruktur einen großen Einfluss auf die Genauigkeit der geschätzten Werte der Kohlefestigkeitsparameter haben. Durch den Vergleich der Festigkeitsparameter der Kohleproben und Kohlekörper wurde festgestellt, dass die geschätzten Werte der Kohlefestigkeitsparameter näher an der tatsächlichen Situation vor Ort liegen sollten.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China (Nr. 51974108 und 51404093), den Fundamental Research Funds for the Universities of Henan Province (Nr. NSFRF210315) und dem Postdoc-Forschungsprojekt in der Provinz Henan (Nr. 001701014) unterstützt. , die State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control (Henan Polytechnic University) (Nr. WS2020B12 und WS2012A09), das Key Research Program der State Administration of Work Safety (Nr. Henan-0025-2015AQ und Henan-0007- 2015AQ) und der Doctoral Foundation der Henan Polytechnic University (Nr. B2012-093, CCCC).

Hochschule für Sicherheitswissenschaft und -technik, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, 454003, China

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Feiyan Zhang

School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, 454003, China

Ying Han

Kultivierungsbasis des State Key Laboratory für Gasgeologie und Gaskontrolle, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, 454003, China

Ying Han

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Korrespondenz mit Ying Han.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhang, F., Niu, C. & Han, Y. Entwicklung der Festigkeitseigenschaften von Briketts und Rohkohle enthaltenden Flüssigkeiten. Sci Rep 13, 593 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27908-6

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Eingegangen: 14. August 2022

Angenommen: 10. Januar 2023

Veröffentlicht: 11. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27908-6

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