Microscopic fatigue damage behaviour due to dry and wet cycling on the deterioration law of mechanical properties of coal bodies with different water saturation levels

पृथ्वी की सतह के बहुत नीचे, जहाँ कोयला खनिक काम करते हैं, वातावरण अत्यधिक भार, तीव्र गर्मी और उच्च दबाव का एक कठोर संयोजन है। इन गहरी परतों में, कोयले की परतों के चारों ओर की चट्टान लगातार तनाव में रहती है, और जब पानी मौजूद होता है, तो यह खेल को पूरी तरह से बदल देता है। पानी इन सुरंगों में केवल एक निष्क्रिय तरल नहीं है; यह चट्टान के भीतर छोटे छिद्रों और दरारों में रिसता है, जो एक वेज (wedge) की तरह काम करता है जो चीजों को अलग करने या उन्हें जोड़ने वाले गोंद को घोल देने की क्षमता रखता है। जब पानी का स्तर बार-बार ऊपर-नीचे होता है—चट्टान को भिगोता है और फिर उसे सूखने देता है—तो वह सामग्री एक धीमी, अदृश्य परिवर्तन से गुजरती है। गीला होने और सूखने का यह चक्र प्रकृति और खनन कार्यों में एक सामान्य घटना है, फिर भी, चट्टान की स्थिरता पर इसके दीर्घकालिक प्रभाव एक जटिल पहेली बने हुए हैं। इस बार-बार भीगने और सूखने की प्रक्रिया से कोयला कैसे कमजोर होता है, इसे समझना अचानक होने वाले खतरनाक ढहने को रोकने और भूमिगत काम करने वालों की सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण है।

चीन यूनिवर्सिटी ऑफ माइनिंग एंड टेक्नोलॉजी और गुइज़हौ यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक नए तरीके से कोयले के नमूनों को देखकर इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया। उन्होंने गहरे खदान से कोयले के ब्लॉक लिए और उन्हें परीक्षणों की एक कठोर श्रृंखला के अधीन किया, जो वर्षों में होने वाले बारिश और सूखे के प्राकृतिक चक्रों की नकल करते हैं, लेकिन प्रयोगशाला सेटिंग में इसे संकुचित कर दिया गया। टीम ने कोयले के चार समूह बनाए और उन्हें दो दिनों तक पानी में भिगोने और एक दिन ओवन में सुखाने के शून्य, तीन, छह, या नौ चक्रों के अधीन किया। बिना चट्टान को तोड़े उसके अंदर क्या हो रहा है, यह देखने के लिए, उन्होंने एक शक्तिशाली औद्योगिक स्कैनर का उपयोग किया, जो मेडिकल सीटी स्कैन के समान है लेकिन बहुत उच्च रिज़ॉल्यूशन वाला है, ताकि प्रत्येक नमूने के भीतर सूक्ष्म छिद्रों और दरारों का एक त्रि-आयामी मानचित्र बनाया जा सके। उन्होंने नाइट्रोजन गैस की सतह पर चिपकने की तकनीक का भी उपयोग किया ताकि सूक्ष्म छिद्रों को गिना जा सके, और उन्होंने कण स्तर पर भौतिक परिवर्तनों को देखने के लिए सूक्ष्मदर्शी के नीचे नमूनों का परीक्षण किया। अंत में, उन्होंने यह परीक्षण करने के लिए कि कोयला कितना मजबूत है, उसे उच्च गति के प्रभावों से प्रहार किया और साथ ही उसे सभी दिशाओं से दबाया, जो एक गहरी खदान की हिंसक स्थितियों का अनुकरण करता है।

उन्होंने जो खोजा वह प्रारंभिक विस्तार के बाद अचानक होने वाले पतन की एक कहानी थी। जैसे-जैसे गीले-सूखे चक्रों की संख्या बढ़ती गई, कोयला केवल एक सीधी रेखा में कमजोर नहीं हुआ; इसकी आंतरिक संरचना एक नाटकीय विकास से गुजरी। शुरुआती चरणों में, कोयले के बार-बार फूलने और सिकुड़ने के कारण नई दरारें खुल गईं और मौजूदा दरारें आपस में जुड़ गईं, जिससे चट्टान अधिक छिद्रपूर्ण हो गई और इसका आंतरिक नेटवर्क अधिक जटिल हो गया। हालांकि, एक निश्चित बिंदु के बाद, यह प्रक्रिया विपरीत परिणाम देने लगी। फूलने और सिकुड़ने के निरंतर तनाव के कारण कोयले के कणों के बीच के सूक्ष्म पुल टूट गए, जिससे छिद्र संरचना का पतन हो गया। शोधकर्ताओं ने पाया कि चक्र बढ़ने के साथ छिद्रों का कुल आयतन और दरारों का सतही क्षेत्रफल पहले तो बढ़ता गया, लेकिन फिर आंतरिक संरचना के ढहने और कुछ छोटे छिद्रों के घुलनशील खनिजों द्वारा अवरुद्ध होने के कारण घटने लगा। इसका मतलब था कि हालांकि कोयला अधिक क्षतिग्रस्त हुआ, लेकिन उस क्षति की प्रकृति खुली, जुड़ी हुई दरारों के नेटवर्क से बदलकर एक अधिक अराजक, ढही हुई अव्यवस्था में बदल गई।

कोयले की मजबूती पर इस संरचनात्मक परिवर्तन का प्रभाव गंभीर और अनुमानित था। टीम ने पाया कि कोयला जितने अधिक चक्रों को झेलता है, वह टूटने से पहले उतना ही कम बल सह पाता है। यह कमजोरी रैखिक (linear) नहीं थी; यह एक विशिष्ट वक्र का अनुसरण करती थी जहाँ शक्ति पहले तेजी से गिरी और फिर धीरे-धीरे कम होती रही। यह प्रभाव तब और भी स्पष्ट हो गया जब कोयला पूरी तरह से पानी से भीगा हुआ था। जल-संतृप्त (water-saturated) कोयले के नमूने सूखे नमूनों की तुलना में काफी कमजोर थे, और छिद्रों के भीतर पानी की उपस्थिति एक हाइड्रोलिक प्रेस की तरह कार्य करती थी, जो दरारों को अंदर से धकेलती थी और दबाव में चट्टान को बहुत तेजी से विफल कर देती थी। शोधकर्ताओं ने देखा कि चक्र बढ़ने के साथ कोयले को तोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा कम होती गई, जिसका अर्थ है कि चट्टान को नष्ट करना आसान हो गया। जब कोयला संतृप्त था, तो इसने प्रभाव के दौरान अधिक ऊर्जा को अवशोषित किया क्योंकि उसके अंदर का पानी दरारों को और अधिक फैलाने के लिए मजबूर करता था, लेकिन यह समग्र स्थिरता की कीमत पर हुआ।

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, टीम ने कार्यरत रासायनिक और भौतिक प्रक्रियाओं को करीब से देखा। उन्होंने पाया कि पानी केवल छिद्रों को भरने का काम नहीं करता है; यह उन खनिजों पर रासायनिक हमला करता है जो कोयले को एक साथ थामे रखते हैं। कुछ खनिज, जैसे कैल्साइट, पानी और कार्बन डाइऑक्साइड के संपर्क में आने पर घुल जाते हैं, जिससे कोयले के कणों के बीच के बंधन कमजोर हो जाते हैं। जैसे-जैसे ये खनिज घुलते हैं, संरचना अपनी अखंडता खो देती है। इसके अलावा, पानी उन रासायनिक प्रतिक्रियाओं को बढ़ावा देता है जो कोयले के अणुओं की सतह पर नए, ऑक्सीजन-समृद्ध समूह बनाते हैं, जिससे सामग्री पानी के प्रति अधिक आकर्षित और कम स्थिर हो जाती है। यह रासायनिक ढीलापन, आंतरिक दबाव के साथ मिलकर, विफलता के लिए एक आदर्श स्थिति बनाता है। शोधकर्ताओं ने इन प्रक्रियाओं को मॉडल करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, जिससे पुष्टि हुई कि फूलने, रासायनिक विघटन और छिद्र पतन का संयोजन प्रयोगशाला में देखे गए उनके निष्कर्षों की सटीक भविष्यवाणी करता है।

इन निष्कर्षों के निहितार्थ खनन उद्योग के लिए प्रत्यक्ष और व्यावहारिक हैं। अध्ययन बताता है कि जिन क्षेत्रों में कोयले की परतें उतार-चढ़ाव वाले जल स्तर के संपर्क में आती हैं, वहाँ चट्टान केवल गीली नहीं हो रही है; बल्कि उसे अंदर से व्यवस्थित रूप से नष्ट किया जा रहा है। गीले-सूखे के बार-बार होने वाले चक्र एक ऐसी थकान पैदा करते हैं जो अंततः शक्ति की हानि की ओर ले जाती है जिसे अनदेखा नहीं किया जा सकता। खनन इंजीनियरों के लिए, इसका अर्थ है कि केवल पानी निकालना ही पर्याप्त नहीं है; उन्हें यह भी विचार करना चाहिए कि पिछले चक्रों द्वारा चट्टान को कैसे कमजोर किया गया है। शोधकर्ता मजबूत सहायता प्रणालियों के उपयोग की सिफारिश करते हैं, जैसे कि चट्टान की सतह को सील करने के लिए बोल्ट के साथ स्प्रे किए गए कंक्रीट की एक परत को जोड़ना, जो प्रभावी रूप से कोयले को गीले-सूखे वातावरण से अलग करता है। यह समझते हुए कि चट्टान की मजबूती एक विशिष्ट, अनुमानित पैटर्न में घटती है, खनन संचालन यह बेहतर ढंग से अनुमान लगा सकते हैं कि कहाँ और कब जमीन धंस सकती है, जिससे एक संभावित आपदा को एक प्रबंधनीय इंजीनियरिंग चुनौती में बदला जा सके।