Height ratio‑dependent creep failure of coal‑rock composites: A multi‑scale analysis integrating stepwise creep, AE monitoring, and SEM characterization

तकनीकी सारांश: कोयला-चट्टान सम्मिश्रों का ऊँचाई अनुपात-निर्भर क्रीप विफलता (Creep Failure)

समस्या विवरण
भूमिगत स्टूपों (stopes) और ओपन-पिट ढलानों में कोयला स्तंभों की दीर्घकालिक स्थिरता कोयला-चट्टान संयोजनों के क्रीप व्यवहार पर महत्वपूर्ण रूप से निर्भर करती है। जबकि चट्टान-से-कोयला ऊँचाई अनुपात ($K_{rc}$) को इन सम्मिश्रों की यांत्रिक प्रतिक्रिया के लिए एक शासी पैरामीटर के रूप रूप में मान्यता प्राप्त है, इसका दीर्घकालिक क्रीप विरूपण (creep deformation), शक्ति क्षीणन (strength attenuation), और क्रीप क्षति संचय के अंतर्निहित तंत्रों पर विशिष्ट प्रभाव अभी भी अपर्याप्त रूप से वर्णित है। मौजूदा शोध मुख्य रूप से पारंपरिक लोडिंग दरों के तहत तात्कालिक विफलता तंत्रों पर केंद्रित रहा है, जिससे निरंतर लोडिंग के तहत $K_{rc}$ द्वारा समय-निर्भर विफलता और दरार विकास को नियंत्रित करने के ज्ञान में एक अंतराल रह गया है।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में स्टेपवाइज यूनिएक्सियल क्रीप परीक्षण (stepwise uniaxial creep tests), वास्तविक समय ध्वनिक उत्सर्जन (acoustic emission - AE) निगरानी, और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) लक्षण वर्णन को एकीकृत करते हुए एक बहु-स्तरीय प्रयोगात्मक दृष्टिकोण का उपयोग किया गया। पाँच विशिष्ट नमूना समूह विभिन्न चट्टान-से-कोयला ऊँचाई अनुपातों ($K_{rc}$) के साथ तैयार किए गए थे: शुद्ध कोयला (0:1), तीन सम्मिश्र विन्यास (1:3, 1:1, और 3:1), और शुद्ध सैंडस्टोन (1:0)।

• क्रीप परीक्षण: नमूनों को स्टेपवाइज लोडिंग प्रोटोकॉल के माध्यम से परीक्षण किया गया जहाँ तनाव स्तरों को क्रमिक रूप से बढ़ाया गया और विफलता तक क्रीप विरूपण को देखने के लिए स्थिर रखा गया।
• AE निगरानी: एक AE प्रणाली ने आंतरिक सूक्ष्म दरार (microcrack) विकास को ट्रैक करने के लिए रिंग काउंट और ऊर्जा रिलीज का उपयोग किया, जिससे दरार की शुरुआत, प्रसार और संलयन (coalescence) के बीच अंतर किया जा सके। तन्यता (tensile) और कतरनी (shear) दरार तंत्रों के बीच अंतर करने के लिए औसत आवृत्ति (Average Frequency - AF) और राइजिंग एंगल (Rising Angle - RA) जैसे मापदंडों का उपयोग किया गया।
• सूक्ष्म संरचनात्मक विश्लेषण: सूक्ष्म संरचनात्मक दोषों और तनाव एकाग्रता में उनकी भूमिका को सत्यापित करने के लिए कोयले और सैंडस्टोन के ताजे फ्रैक्चर सतहों पर SEM अवलोकन किए गए।

प्रमुख परिणाम

1. शक्ति संबंध: एक सुदृढ़, रैखिक संबंध स्थापित किया गया जहाँ क्रीप विफलता तनाव ($\sigma_{cr}$) सभी $K_{rc}$ विन्यासों में पीक यूनिएक्सियल कंप्रेसिव स्ट्रेंथ ($\sigma_c$) के 90% के करीब रहा। यह निष्कर्ष बताता है कि दीर्घकालिक शक्ति का विश्वसनीय अनुमान लघु अवधि के स्टैटिक स्ट्रेंथ परीक्षणों से लगाया जा सकता है।
2. इष्टतम विन्यास (1:1 अनुपात): 1:1 चट्टान-से-कोयला ऊँचाई अनुपात ($K_{rc} = 1:1$) वाले सम्मिश्र नमूने ने अन्य विन्यासों की तुलना में बेहतर क्रीप प्रतिरोध प्रदर्शित किया। इसने सबसे लंबे समय तक क्रीप विफलता को दर्शाया, सबसे कम तात्कालिक और समय-निर्भर विरूपण, और सबसे कम स्थिर अवस्था क्रीप दर (steady-state creep rate) प्रदर्शित की।
3. गैर-मोनोटोनिक सीमाएँ (Non-Monotonic Thresholds): दरार की शुरुआत का तनाव ($\sigma_{ci}$) और दरार क्षति का तनाव ($\sigma_{cd}$) $K_{rc}$ के सापेक्ष एक गैर-मोनोटोनिक रुझान का पालन करते हैं। ये सीमाएँ 1:1 अनुपात पर चरम पर पहुँचती हैं और फिर चट्टान के अनुपात में वृद्धि के साथ घट जाती हैं, जो यह संकेत देती है कि 1:1 विन्यास सबसे विस्तृत स्थिर दरार विकास क्षेत्र प्रदान करता है।
4. विफलता तंत्र संक्रमण: जैसे-जैसे चट्टान का अनुपात बढ़ा, विफलता तंत्र कतरनी-नियंत्रित (shear-controlled) से तन्यता-नियंत्रित (tension-controlled) में बदल गया। कतरनी दरारों का अनुपात शुद्ध कोयला (25.56%) से घटकर शुद्ध चट्टान (11.97%) में आ गया, जबकि तन्यता दरारें प्रमुख हो गईं। 1:1 अनुपात ने सम्मिश्रों के बीच सबसे कम कतरनी दरार अनुपात प्रदर्शित किया, जो इसके बढ़े हुए स्थायित्व के साथ सह-संबंधित है।
5. सूक्ष्म संरचनात्मक प्रभाव: SEM विश्लेषण ने खुलासा किया कि कोयले में परस्पर जुड़े सूक्ष्म दरार और छिद्रों वाली एक खंडित सूक्ष्म संरचना होती है, जबकि सैंडस्टोन एक कठोर, सघन ग्रेन स्केलेटन प्रदर्शित करता है। सम्मिश्रों में कठोर चट्टान की परत ने कोयले को पार्श्व बंधन (lateral confinement) प्रदान किया, जिससे पार्श्व विस्तार दब गया और अस्थिर दरार विकास में देरी हुई, जिसका प्रभाव 1:1 अनुपात पर अधिकतम था।

महत्व और दावे
लेखकों का तर्क है कि ये निष्कर्ष भूमिगत खनन और ओपन-पिट संचालन में कोयला स्तंभों के तर्कसंगत ज्यामितीय डिजाइन के लिए मात्रात्मक मार्गदर्शन प्रदान करते हैं। विशेष रूप से, यह अध्ययन दावा करता है कि क्रीप प्रतिरोध के लिए इष्टतम विन्यास के रूप में 1:1 ऊँचाई अनुपात की पहचान करना, कोयला स्तंभों के आयाम निर्धारण (dimensioning) को सुनिश्चित करने के लिए सूचित कर सकता है। इसके अलावा, क्रीप विफलता तनाव और पीक स्ट्रेंथ के बीच स्थापित 90% का अनुपात इंजीनियरों के लिए एक व्यावहारिक भविष्य कहने वाला उपकरण (predictive tool) प्रदान करता है, जो मौजूदा स्तंभ संरचनाओं की दीर्घकालिक सुरक्षा का आकलन करते हैं। यह शोध स्टैटिक मैकेनिकल गुणों और समय-निर्भर विफलता व्यवहारों के बीच के अंतर को पाटता है, जो यह समझने के लिए एक सैद्धांतिक आधार प्रदान करता है कि संरचनात्मक ज्यामिति विषम रॉक-कोयला प्रणालियों में स्थिर से अस्थिर क्रीप के संक्रमण को कैसे प्रभावित करती है।