Свойства углей в ряду метаморфизма
Лекция 2 (доц. Киселев Н.Н.)
Изменение физико-механических свойств
Углей Донбасса в ряду метаморфизма
Метаморфизм
Изучение физико-механических свойств углей До-нецкого бассейна в контексте разнообразия их марочного состава, обусловленного различной степенью углефи-кации исходного материала, т.е. иными словами – в ряду метаморфизма, имеет большое практическое значение. Физико-механические свойства угля являются, по мнению академика А.А.Скочинского [1] одним из трех основных факторов, которые в совокупности определяют степень выбросоопасности угольных пластов и их всестороннее исследование способствует совершенствованию методов, направленных на предотвращение газодинамических явлений при отработке выбросоопасных пластов.
Большинство отечественных и зарубежных иссле-дователей считают, что основные качественные свойства углей определяются их петрографическим составом и стадией метаморфизма. Широкое внедрение петрогра-фических и рефлектометрических методов (Э.Штайх, М.Тейхмюллер, И.И.Амосов, И.В.Еремин) дало возмож-ность выявить количественные взаимоотношения между составом, стадией метаморфизма и основными свойства-ми углей большинства месторождений [6].
Ископаемые каменные угли и антрациты – твердые горючие вещества органического происхождения, образо-вавшиеся в древние геологические эпохи из растительных остатков под воздействием высоких температур и дав-ления, которые являются основными факторами метамор-физма. В длительном процессе углефикации остатки орга-нических веществ растений и микроорганизмов после-довательно превращаются в торф, бурые угли, каменные угли и антрациты. Последовательность преобразований при углефикации называется стадиями метаморфизма. Торф и бурые угли относятся к самой низкой, а антрациты наряду с алмазами – к самой высокой стадии метаморфизма [2].
|
|
|
Метаморфизм – общие понятия
Глубины погружения марок углей и марка (по Гамову – таблица) + рисунок (марка и глубина)
Геология СССР 1963г. Метаморфизм – гор. И верт.
Приводим рисунок на эту тему.
Наш рисунок – Мет. Общая (наша трактовка)
РИС. 1. Классификационная диаграмма
В процессе метаморфизма главную роль играют геологические факторы: длительность процессов во вре-мени, температура и давление горных пород на угольные пласты. Основное влияние на изменение свойств угля при метаморфизме оказывают повышенные температура и давление, при этом главная роль какого-то из этих факторов не определена, так как они чаще всего сопутствуют друг другу. В связи с этим, обычно рас-сматривают зависимость степени метаморфизма не от влияния отдельных факторов, а от вида метаморфизма. Различают три вида метаморфизма: 1) региональный, или глубинный, связанный с погружением осадков на значительную глубину; 2) контактовый, обусловленный тепловым влиянием интрузивных или эффузивных масс, 3) динамометаморфизм, или дислокационный, вызван-ный процессами складкообразования [3].
|
|
|
Сущность регионального метаморфизма, имеющего преобладающее проявление в Донецком каменноугольном бассейне, сводится к повышению степени метаморфизма с возрастанием стратиграфической глубины залегания угольных пластов (правило Хильта). При этом установлено, что в одном и том же бассейне угли с увеличением стратиграфической глубины их залегания обедняются от пласта к пласту летучими компонентами и обогащаются углеродом (Рис.1.1).
Рис. 1. 1. Изменение выхода летучих веществ (а) и
содержания углерода с глубиной залега-
ния пластов
Так для углей Донбасса градиент изменения выхода летучих веществ колеблется от 0,5 до 1,4 % на 100 м стратиграфической глубины.
Отклонения от этого правила наблюдаются в случае термального метаморфизма, обусловленного интрузией пород, находящихся вблизи угольных пластов и имеющих высокую температуру. Причиной этого может быть также динамометаморфизм, проявляющийся при сильном сдавливании пластов в условиях складкообразования. Отклонения от правила Хильта отмечаются при высоком содержании минеральных примесей, особенно карбо-натов, поскольку это существенно влияет на выход лету-чих веществ, а также при изменении в петрографическом составе [21].
|
|
|
Теории регионального метаморфизма получили наиболее широкое признание среди донецких геологов.
Эти теории исходят из того, что процессы изменения углей обусловлены главным образом не воздействием местных тектонических или магматических явлений, а геотектоническим режимом, изменения которого проис-ходят в масштабе всего региона. Общим для всех теорий регионального метаморфизма является признание эмпи-рически установленных закономерностей изменения мета-морфизма в стратиграфическом разрезе и параллельно изменению мощности осадочной толщи на площади. Завершение процессов метаморфизма предполагается до проявления складчатости.
|
|
|
Наиболее просто эти положения увязываются с представлением, что различная степень метаморфизма углей определяется исключительно глубиной опускания пласта в ходе развития бассейна. Пласты углей, посте-пенно погружаясь параллельно накоплению вышеле-жащей толще осадков, попадали в зоны воздействия все более высоких температур и давлений, которые вызвали совокупность необратимых изменений в углях. Большая или меньшая степень метаморфизма угля связывается только с большей или меньшей мощностью вышележа-
ших палеозойских осадков, отражающей величину пре-дельной глубины погружения пласта и, следовательно, максимальные значения температуры (по геотерми-ческому градиенту) и давлений, воздействие которых даже в течение весьма короткого времени (в геологи-ческом масштабе) имело решающее значение [23].
При метаморфизме под воздействием температуры, давления, а также геологических факторов происходит трансформация органического вещества углей, приво-дящая к концентрированию в нем углерода, уменьшению содержания кислорода и водорода. При метаморфизме происходит постепенная ароматизация органического вещества и образование многоядерных полициклических структур, которые формируют ориентированные слои и пачки. Такая трансформация вещества приводит к количественному и качественному различию свойств углей, принадлежащим к разным стадиям метаморфизма, и в итоге – к различному марочному составу [4]. В таблице 1 приведены данные по температурам образования метаморфического ряда углей и зависимости их от глубины погружения угольных пластов [24].
| Степень ме- таморфиза- ции угля | Марка угля | Глубина образования, м | Давление, бар. | Температу- ра, °С |
| Бурый | Б1 | 1000–1500 | 250–300 | 50–80 |
| Б2 | 1500–2000 | 300–500 | 80–100 | |
|
Каменный уголь | Д | 2000–2500 | 500–600 | 100–125 |
| Г | 2500–3000 | 600–750 | 125–150 | |
| Ж | 3000–3500 | 750–875 | 150–175 | |
| К | 3500–4000 | 875–1000 | 175–200 | |
| ОС | 4000–4500 | 1000–1125 | 200–250 | |
| Т | 4500–5000 | 1125–1250 | 250–300 | |
| Антрацит | А1 | 5000–5500 | 1250–1400 | 300–350 |
| А5 | 5500–6000 | 1400–1500 | 350–400 | |
| А10 | 6000–7000 | 1500–2000 | 400–450 |
Марка углей – это условное обозначение разно-видности углей, близких по генетическим признакам и основным энергетическим и технологическим характе-ристикам. Каждая марка имеет обозначение в виде пер-вых букв этого наименования (для Донецкого бассейна): Д – длиннопламенный, ДГ – длиннопламенный газовый, Г – газовый, К – коксовый, Ж – жирный, ОС – отощенный спекающийся, Т – тощий, А – антрацит.
РИС.
УГЛЕХИМИЧЕСКАЯ КАРТА ДОНБАССА
Классификация углей Украины по ДСТУ3472:2015 является промышленно-генетической. Она распростра-няется на бурые, каменные угли и антрациты Украины и устанавливает подразделение их на марки с учетом основных параметров, отражающих их генетические особенности и технологические свойства. В качестве классификационных параметров приняты: средний пока-затель отражения витринита Ro,r, выход летучих веществ Vdaf, толщина пластического слоя y, индекс Рога RI, высшая теплота сгорания на сухое беззольное топливо 
Эти параметры выражены в виде абсолютных зна-чений этих величин.
Таблица 1.1 – Классификация углей Украины по ДСТУ3472:2015
| Марка угля | Обозна-чение | Классификационные показатели | ||||
| Ro , r, % | Vdaf, % | y, мм | RI, ед. | 
Мдж/кг
| ||
| Бурый | Б | Мен. 0,40 | От 50 до 70 вкл. | – | – | Менее 24* |
| Длиннопла- менный | Д | От 0,40 до 0,60 вкл. | От 35 до 50 вкл.. | Мен. 6 | – | – |
| Длиннопла- менный га- зовый | ДГ | От 0,50 до 0,80 вкл. | От 35 до 48 вкл. | От 6 до 9 вкл. | – | – |
| Газовый | Г | От 0,50 до 1,00 вкл. | От 33 до 46 вкл. | От 10 до 16 вкл.** | – | – |
| Жирный | Ж | От 0,85 до 1,20 вкл. | От 28 до 36 вкл. | От 17 до 38 вкл. | – | – |
| Коксовый | К | От 1,30 до 1,60 вкл. | От 18 до 28 вкл. | От 13 до 28 вкл. | – | – |
| Отощенный спекающийся | ОС | От 1,21 до 1,90 вкл. | От 14 до 22 вкл.. | От 6 до 12 вкл.. | От 13 до 50 вкл.. | – |
| Тощий | Т | От 1,60 до 2,59 вкл.. | От 8 до 18 вкл.*** | Менее 6 | Менее 13 | От 35,2 до 36,5 вкл.. |
| Антрацит | А | От 2,60 до 5,60 вкл.. | Менее 8 | – | – | Менее 35,2 |
* Теплота сгорания приведена в расчёте на влажное беззольное состояние 
** При значении показателя отражения витринита менее 0,85% и толщине пластического слоя болем 16 мм уголь относится с марке Г.
*** При выходе летучих веществ менее чем 8% и теплоте сгорания 35,2 Мдж/кг и более уголь отно-сится к марке Т [3].
В Советском Союзе была принята промышленная класификация углей по крупным угольным бассейнам: Донецкому, Кузнецкому, Канско-Ачинскому, Караган-динскому, Днепровскому, Подмосковному, Печорскому и др. Для марок углей каждого бассейна в соответствии с ГОСТ определялись Vdaf (%) – выход летучих; y (мм) – толщина пластического слоя (табл.1.2),
Таблица 1.2 – Классификация углей Донецкого и Куз-нецкого бассейнов
| Уголь марка | Группа | Выход летучих веществ Vdaf, % | Толщина пластического слоя, y, мм |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Донецкий басейн (ГОСТ 8180-75) | |||
| Длиннопламенный Д | – | более 35 | менее 6 |
| Газовый Г | Г6 | более 35 | 6–10 |
| Газовый жирный ГЖ
| ГЖ6 | 27–35 | 6–10 |
| ГЖ11 | 27–35 | 11–16 | |
| Жирный Ж | Ж17 | 27–35 | 17 и более |
| Коксовый К | К21 | 18–27 | 21 и более |
| К14 | 18–22 | 14–20 | |
| Отощенный спекающийся ОС | ОС6 | 14–22 | 6–13 |
| ОС | 14–22 | Менее 6 | |
| Тощий | – | 8–17 | – |
| Антрацит | – | Менее 8 | – |
| Кузнецкий басейн (ГОСТ 8162-79) | |||
| Длиннопламенный Д | – | более 37 | – |
| Газовый Г | Г17 | более 37 | 17–25 |
| Г6 | более 37 | 6–16 | |
| Газовый жирный ГЖ | – | 31–37 | 6–25 |
| Жирный Ж | 1Ж26 | более 33 | более 26 |
| 2Ж26 | 33 и менее | более 26 | |
| Коксовый жирный КЖ | КЖ14 | 25–31 | 14–25 |
| КЖ6 | 25–31 | 6–13 | |
| Коксовый К | К13 | Менее 25 | 13–25 |
| К10 | 17–25 | 10–12 | |
| Коксовый второй К2 | – | 17–25 | 6–9 |
| Отощенный спекающийся ОС | – | менее 17 | 9 |
| Слабоспекающийся СС | 1СС | 25–37 | – |
| 2СС | 17–25 | – | |
| Тощий Т | – | менее 17 | – |
| Антрацит А | – | менее 9 | – |
Угольное вещество на разных стадиях метамор-физма представляет собой сложные конструкции, но в целом это высокомолекулярная структурно-организован-ная система, отдельные компоненты которой обладают определенными свойствами. Согласно современным пред-ставлениям о структуре углей различают молекулярную структуру (объединение отдельных атомов силами хими-ческих связей в устойчивые образования), являющуюся носителем химических свойств, и надмолекулярную организацию (объединение отдельных молекул силами физических связей), являющуюся в основном носителем физических свойств [5].
Физико-химические свойства углей также сущес-твенно зависят от их петрографического состава. Струк-турно-текстурные особенности органического вещества углей в значительной степени определяют их микро-хрупкость, трещиноватость, плотность, газопроницаемость, которые являются базовыми при оценке изменения свойств углей под воздействием полей и активных сред [6].
В соответствии с Единой классификацией ископа-емые угли в зависимости от величины среднего показателя отражения витринита Ro , r , высшей теплоты сгорания на влажное беззольное состояние 
и выхода летучих веществ на сухое беззольное состояние Vdaf подразделяют на виды: бурые, каменные и антрациты в соответствии с таблицей 1.3.
Таблица 1.3 – Разделение ископаемых углей на
виды
| Вид угля | Средний пока- затель отраже- ния витринита, Ro , r, % | Высшая теп-
лота сгорания
на влажное
беззольное сос-
тояние.
 , МДж/кг
| Выход лету- чих веществ на сухое без- зольное состо- яние, Vdaf. % |
| Бурый уголь | Менее 0,60 | Менее 24 | – |
| Каменный уголь | От 0,40 до 2,59 вкл. | 24 и более | 8 и более |
| Антрацит | От 2,20 и более | – | Менее 8 |
Свойства углей в ряду метаморфизма
Физические свойства углей
Плотность углей
Плотность углей является одной из важнейших характеристик твердых горючих ископаемых (ТГИ). Раз-личают действительную, кажущуюся и насыпную плот-ности [3]. Под действительной плотностью ТГИ (dr) понимают массу единицы его объема за вычетом объема пор и трещин. Под кажущейся плотностью ТГИ понимают массу единицы его объема, включая поры и трещины. Кажущуюся плотность обозначают символом da.
Твердое топливо, как сыпучая масса, характери-зуется также насыпной плотностью (BD), которая сог-ласно ГОСТ 17070-87 является “отношением массы све-женасыпанного угля к его объему, включая объем пор и трещин внутри зерен и кусков, а также объем пустот между ними, определяемому в установленных условиях заполнения емкости”.
Значения действительной плотности угля и антра-цитов, меняющиеся от стадии метаморфизма, показаны на рисунке 2.1
Рис. 2.1 – Зависимость истинной плотности угля от
cтепени метаморфизма [7]
В ряду гуммитов с возрастанием степени их химической зрелости действительная плотность увели-чивается. Однако, рост действительной плотности углей по мере возрастания степени метаморфизма происходит не непрерывно, Многочисленными исследованиями уста-новлен минимум на кривой зависимости плотности угля от степени углефикации в области содержания углерода 85–86% (рис. 2.1) и_______% выхода летучих, что соответствует марочному составу ________ .
Петрографические составляющие гумусовых углей значительно отличаются по действительной плотности [3]. Стадия метаморфизма почти не влияет на дейст-вительную плотность инертенита (dr = 1500– 1550 кг/см3). Действительная плотность витринита (dr =1280– 1350 кг/м3) изменяется по кривой с минимумом в области углей с содержанием углерода 86%. Наименьшей плот-ностью обладает липтинит (dr = 1150–1200 кг/см3), но ее значения резко возрастают с увеличением степени мета-морфизма (рис.2.2).
Рис.2.2 – Зависимость действительной плотности
микрокомпонентов от степени метамор-
физма углей
Пористость углей
Пористость углей, структура пористой системы и её удельная поверхность определяют фильтрационные, диф-фузионные и сорбционные процессы, в частности, в усло-виях естественного залегания пластов [3].
Твердые горючие ископаемые представляют собой материалы с системой пор и трещин, которые различа-ются по размерам, форме и взаимному расположению и доступности их для реагентов. Размеры пор в углях коле блются от 3·10-10 до 10-2 м[3].
Многочисленными исследованиями установлено, что в углях преобладают поры с малыми размерами (5 – 8)·10-10 м. Определено также, что объем микропор в углях превышает 50–60% общего объема пор. Поверхность переходных пор в углях невелика по сравнению с поверх-ностью микропор и уменьшается в метаморфическом ря-ду от 40 м2/г (для бурых углей) до 3 м2/г (для антрацитов).
Существует несколько параметров пористости угля, из них наиболее употребительны: коэффициент порис-тости, представляющий собой отношение объема пор угля к объему его твердой фазы; показатель общей пористости угля отвечает процентному отношению объема пор угля ко всему его объему. Наблюдаются сле-дующие изменения коэффициентов
пористости угля в ряду бурые угли—антрациты; от 1,0 в бурых углях до 0,16— в антрацитах с минимумом в коксовых углях —0,13 [22].
Изменение суммарной пористости углей и антра-цитов в зависимости от стадии метаморфизма показано на рисунке 2.3.
Рис. 2.3 – Изменение суммарной пористости углей и
антрацитов в зависимости от стадии мета-
морфизма
Пористость углей играет важную роль при взаимо-действии их с газами, жидкостями, в том числе химичес-кими реагентами. Она определяет сорбционную актив-ность углей в процессах их использования и переработки.
Внезапные выбросы угля и метана также связаны с пористостью углей. Метан, выделяющийся в процессе углеобразования, остается в углях в адсорбированном виде в порах. При добыче в результате дробления уголь-ной массы возникает десорбция метана из пор, что при-водит к выбросам [3].
Зольность углей
Твердое топливо всех видов содержит примесь минеральных веществ, которые составляют его минераль-ную массу. Сложность состава минеральной массы части углей, а также разнообразие её связи с органической массой вызывает большие трудности аналитического определения минеральных компонентов в неизменном состоянии. Таким образом, о содержании минеральных веществ в твердых горючих ископаемых приходится су-дить косвенно по количеству золы (А), остающейся после сжигания навески топлива при свободном доступе кисло-рода воздуха. Следовательно, золой называется твердый продукт полного окисления и термохимических превра-щений мирнеральной части углей [3].
Многочисленные исследования указывают на отсутствие ярко выраженной зависимости между общей зольностью, природой и стадией зрелости углей. Вместе с тем имеются определенные закономерности, которые выявляются при рассмотрении зольности и химического состава золы различных петрографических составляющих углей, практически свободных от примесей случайных внешних минеральных веществ. Установлено, что в угле одной и той же марки наибольшей зольностью обладает фюзинит, наименьшей витринит, а лейптинит занимает промежуточное положение приближаясь к витриниту. За-кономерной связи между зольностью микрокомпонентов и стадией их зрелости не выявлено [3].
Изменение показателя зольности углей Северо-Вос-тока России в процессе метаморфизма представлено на рисунке 2.4.
РИС. 2.4
Влагоемкость углей
Влага является неизбежным компонентом всех ви-дов твердых горючих ископаемых, содержание которой связано как с генетическими факторами углеобразования, так и со способами их добычи, хранения и переработки.
Присутствие влаги в углях обусловлено порис-тостью и наличием в их структуре полярных групп. Поэтому содержание влаги зависит от характеристик твердых горючих ископаемых, уменьшается в ряду торф, бурый уголь, каменный уголь и несколько увеличиваясь у антрацитов, вследствие их более высокой пористости (рисунок. 2.4.а).
Рис. 2.4.а – Изменение влажности углей в ряду ме-
таморфизма [21]
Разброс точек для углей одной стадии метамор-физма обусловлен различием в составе исходного мате-риала, из которого образовывались угли разных место-рождений [21].
Влага топлива в пласте в его естественном состо-янии называется пластовой. Уголь, добытый из пласта, теряет на воздухе влагу, находящуюся на внешней повер-хности куска, так называемую влагу смачивания, или сво-бодную. После удаления этой влаги в образце свеже-добытого твердого полезного ископаемого, который полностью насыщен водой, остается влага, свойственная данному виду топлива, его химической природе, петро-графическому составу и степени углефикации. Содер-жание этой влаги в топливе (влагосодержание) можно приблизительно оценить с помощью такого показателя, как минимальная влагоемкость [3].
Для характеристики влажности топлива в целом (влагосодержание топлива) используют термин общая влага – общее содержание внешней влаги и влаги воздушно-сухого топлива (Wt). Содержание общей или рабочей влаги зависит, прежде всего, от степени метаморфизма (марочного состава угля, рис. 2.5 и 2.6), а также от степени окисленности угля, его зольности и кусковатости [8].
Рис. 2.5 – Содержание влаги в углях разного мароч-
ного состава.
График с ромбообразным маркером –
– влага общая (рабочая), с квадратным –
– влага воздушно сухого топлива [8]
Рис. 2.6 – Изменение удельного пылевыделения и
влажности угля в ряду метаморфизма
Кузнецкого, Донецкого и Подмосковно-
го бассейнов [9]
Дата добавления: 2019-11-16; просмотров: 1284; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!