УДК 622.831:639.89                                                                                       © Г. Д. Фролков, А. Ф. Липчанский, Г. В. Малова, 1992

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
КРАЕВОЙ ЧАСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА МЕТОДОМ ЭПР

Приведены результаты исследования структурно-химических превращений органического вещества углей методами ИК и ЭПР-спектроскопии при их механическом разрушении. Показано, что под воздействием деформаций сдвига под давлением в углях происходят процессы механохимической деструкции, а количество продуктов деструкции контролируется напряженным состоянием угольного пласта. Установлена возможность контроля напряженного состояния пласта в окрестностях горных выработок методом ЭПР.

---

   Напряженное состояние краевой части угольного пласта, обусловленное ведением горных работ, играет существенную роль при решении вопросов технологии, поддержания горных выработок и создания безопасных условий труда. Так, например, мероприятия по предупреждению внезапных выбросов угля и газа, как правило, преследуется цель максимально снизить величину горного давления на пласт или отодвинуть максимум опорного давления в глубину массива. При этом возникает необходимость контроля за эффективностью противовыбросных мероприятий, в конечном итоге сводящиеся к определению размеров зоны разгрузки краевой части пласта.
   Известные методы оценки напряженного состояния краевой части пласта (по динамике газовыделения в шпур; по величине смещений контура выработки, кровли и почвы пласта; методом разгрузки) часто имеют большую погрешность и в силу этого недостаточно надежны, или трудоемки и неоперативны [11].
   Нами изучена возможность контроля напряженного состояния угольного пласта методом ЭПР. В основу способа положены механохимические эффекты, возникающие в любых твердых телах, а также в углях, при воздействии на них механических напряжений в режиме сдвига под давлением. Экспериментами по нагружению полимеров и углей в твердотельном резонаторе радиоспектрометра ЭПР установлено, что только одновременное воздействие на полимер давления и сдвига стимулирует процессы деструкции химических связей с образованием парамагнитных центров (ПМЦ) [2]. При этом наблюдается прямая связь между величиной давления и концентрацией ПМЦ.
   При постановке шахтных экспериментов мы исходили из того, что при бурении шпуров по угольному пласту вращательным способом угольное вещество на забое шпура нагружается в режиме сдвига под давлением. При этом гидростатическая компонента напряжений создается горным давлением, а сдвиговая — вращающимся резцом. Так как скорость вращения сверла и усилие его подачи на забой в процессе бурения остаются практически постоянными, то интенсивность механохимических реакций и соответственно количество продуктов реакции в буровой мелочи (штыбе) будет определяться напряжениями сжатия или разгрузки в массиве. Эксперимент состоял в следующем В забое откаточного штрека в кровле пласта вынимали специальную нишу для размещения давильной установки, площадь поршня гидроцилиндра, которой составляла 132 см2, а давление жидкости в цилиндре можно было изменять от 0 до 100 МПа. Опорные площадки установки имели размер 360Х400 мм. Перед началом эксперимента под размещенной над пластом давильной установкой посредине мощности пласта бурили шпур диаметром 42 мм глубиной 1 м с таким расчетом, чтобы забой шпура находился в центре горизонтальной проекции опорных площадок давильной установки. Стенки шпура защищали от разрушения штангой сверла обсадной металлической трубой. Давление в гидроцилиндре повышали ступенчато с интервалом 5 МПа до тех пор, пока целик угля под давильной установкой не разрушался. После каждого повышения давления в гидроцилиндре включали сверло и производили отбор штыба из шпура массой около 50 г. В лаборатории определяли концентрацию ПМЦ и ширину линии ЭПР в штыбе. Из результатов экспериментов, приведенных в табл. 1, установлено, что с увеличением нагрузки на целик угля в буровой мелочи увеличивается концентрация ПМЦ и линия ЭПР уширяется, подтверждая тем самым наличие механохимических преобразований структуры углей при бурении шпуров.

Таблица 1

   Известно, что вследствие отжима уголь на кромке очистного забоя находится в менее нагруженном состоянии чем на некоторой глубине в массиве и это подтверждают данные, приведенные в табл. 2, в которой представлены парамагнитные характеристики проб углей, отобранных при бурении шпуров по пласту i₃ шахты “Западная Капитальная” объединения “Ростовуголь”.

Таблица 2

   В табл. 3 приведены результаты определения концентрации ПМЦ и ширины линии ЭПР в пробах углей пласта КЗ “Лисий” шахты “Западная” и пласта /а шахты “Центральная” объединения “Гуковуголь”, отобранных с интервалом 0,5 м при бурении шпуров глубиной до 7 м. В этих экспериментах проявляется эффект совместного воздействия на органическое вещество углей напряжений, обусловленных горным давлением, и деформаций сдвига, создаваемых резцом, достаточных для стимулирования механохимических реакций, сопровождающихся образованием ПМЦ. Характер изменения концентрации ПМЦ по мере углубления шпуров — нарастание и последующий спад, отражает картину изменения напряжений впереди забоев, полученную с помощью гидравлических датчиков [3].

Таблица 3

   На спектрах отчетливо выделяется полоса поглощения при 3430 см ', которая относится к валентным колебаниям гидроксильных (—ОН) групп фенольного типа. Одной из наиболее интенсивных полос является полоса с максимумом при 1600 см ', которая чаще всего относится к валентным колебаниям ароматических С—С связей Ее возникновение может быть также обусловлено донорно-акцепторными взаимодействиями между ароматическими плоскостями молекулярных слоев и пакетов, а также наличием водородной связи в хингидронных структурах. Полоса 3050 см ' связывается с валентными колебаниями С—Н в ненасыщенных линейных и ароматических структурах, а полосы 875, 800, 760 см ' с деформационными колебаниями указанных структур. Отчетливо проявились также полосы 2920 и 2860 см^-1 ' валентных колебаний алифатических С—Н связей в структурах, содержащих метиленовые (—СН2—) и метильные (—СНз) группы, а также соответствующие этим группам полосы 1440 и 1375 см”' деформационных колебаний. Полосы поглощения 1075 и 1035 см”' характерны для колебаний углерод-кислородных связей в простых эфирных группах, смещенных под влиянием соседних алкенильных и ароматических групп [4].
   Спектры ЭПР получали на малогабаритном радиоспектрометре “Минск12М”. Невысокий уровень микроволновой мощности в резонаторе этого спектрометра (до 5 мвт) уменьшал возможность насыщения. Относительная погрешность в определении концентрации ПМЦ не превышала 5 %. Вакуумирование образцов углей в течение одного часа (Р=10 ^-2 мм рт. ст) приводило к разделению сигнала ЭПР на узкий (D Н=1,3 1,5 Гс) и широкий (D Н=5,3—6,8 Гс). По мере углубления шпура, т е. с ростом напряжений, концентрация ПМЦ широкого сигнала увеличивалась, а узкого уменьшалась При интерпретации узкого и широкого сигналов ЭПР в углях мы исходили из того, что узкий сигнал связан с присутствием в углях ароматических конденсированных структур и поли сопряженных связей (ПСС) с де локализованными — p -электронами, а широкий — с разорванными связями, или свободными радикалами, что соответствует сложившимся представлениям о природе парамагнизма углей В работах [5, 6]” указывается, что отношение интенсивностей полос поглощения валентных колебаний С—Н связей в ароматических и алифатических структурах (D₃₀₅₀/D₂₉₂₀) в ИК- спектрах углей возрастает с увеличением степени метаморфизма углей, которое сопровождается увеличением в их структуре ароматики и полисопряженных связей. В нашем эксперименте наблюдается хорошая корреляция между отношением интенсивностей узкого и широкого сигнала ЭПР (Iузк/Iшир) и отношением D₃₀₅₀/D₂₉₂₀ ИК-спектров. Из анализа данных ИК и ЭПР- спектроскопии установлено, что увеличению концентрации ПМЦ широкого сигнала соответствует увеличение интенсивности полос 2920, 1440, 2860, 1375, 3050, 875, 800, 760, 1600 см' С концентрацией ПМЦ узкого сигнала связь интенсивности указанных полос имеет обратный характер.
   Наиболее тесная связь между ИК и ЭПР- характеристиками наблюдается для полосы 1035 см^-1 : для широкого сигнала она имеет обратный характер, а для узкого — прямой. Такой характер изменения спектральных параметров показывает, что при бурении шпуров по угольному пласту в угольном веществе наблюдаются процессы механохимической деструкции. При этом в первую очередь разрываются наименее прочные метиленовые и эфирные связи [7], о чем свидетельствует существенное уменьшение интенсивное полосы 1035 см ^-1 по мере углубления шпура и роста напряжений (рис. 1) При этом в местах разрыва связей образуются концевые свободные радикалы, обладающие избыточной свободной энергией, концентрация ПМЦ широкого сигнала. увеличивается. Образование метильных и метиленовых групп, на что указывает увеличение интенсивности полос 2920, 1440, 2860, 1375 см^-1, может быть результатом взаимодействия концевых радикалов, образовавшихся при разрыве кнслородметиленовых мостиков, с соседними макромолекулами, превращением концевых радикалов в срединные, что в свою очередь вызывает большое число вторичных превращении [8].

Рис. 1. Изменение спектральных характеристик органической массы углей в буровой мелочи по мере углубления шпура: Кпмц — концентрация ПМЦ; l — глубина шпура

   При увеличении горного давления по мере углубления шпура увеличивается интенсивность механохимических реакций, направленность которых не исключает и ароматизацию органического вещества углей, что подтверждается увеличением интенсивности полос 3050, 875, 800, 760 см^-1. Увеличивается также и интенсивность полосы 1600 см^-1, существенный вклад в которую вносят С—С связи кольца. Однако процесс идет, по-видимому, с образованием отдельных ароматических колец, а формирования слоев и пакетов ароматики не происходит, скорее разрушаются существующие, о чем свидетельствует уширение линии ЭПР и обратная зависимость между концентрацией ПМЦ узкого сигнала и интенсивностью полосы 1600 см^-1 (рис. 2). С увеличением напряжении деструкции подвергаются также ПСС неароматического характера, о чем свидетельствует уменьшение параметра D₃₀₅₀/D₂₉₂₀ по мере углубления шпура (см. табл. 4).

   Таким образом, структурно-химические превращения органического вещества углей под влиянием деформаций сдвига под давлением при бурении шпуров имеют место и сопровождаются образованием и стабилизацией ПМЦ, концентрация которых увеличивается пропорционально увеличению горного давления на угольный пласт и в данном случае может рассматриваться как аналог напряжений в массиве. Практическим выходом полученных результатов является возможность применить метод ЭПР к оценке напряженного состояния угольного пласта в окрестностях горных выработок и его изменений при различных технологических воздействиях.
   В качестве примера рассмотрим изменение концентрации ПМЦ в пробах угля, отобранных при бурении шпуров в лавах № 014 и № 016 по верхней пачке пласта i₃’ “Суходольский” шахты “Центральная” объединения “Гуковуголь”. На участках лавы № 014 длиной 50 м, прилегающих к конвейерным ходкам, шпуры бурили с интервалом 2 м, а в средней части длиной 60 м шпуры бурили с интервалом 5 м. Участок лавы № 014 длиной около 60 м, прилегающей к конвейерному ходку № 014 находился в зоне повышенного горного давления (ПГД) от горных работ по нижележащему пласту Ю. Характер изменения концентрации ПМЦ в пробах угля по длине лавы № 014 показан на рис. 3.

Рис. 3. Изменение концентрации ПМЦ. в буровой мелочи по длине очистного забоя L после гидроотжима при наличии зоны ПГД, примыкающей к конвейерному ходку J” 014

• В написании статьи принимал участие инж. В А Савин (объединение “Гуковуголь”)