CC BY
61
© В.Г. Нестерова, К.Е. Пономарёв, Ю.С. Бахтина, 2011
УДК 622:534:533.068.41
В.Г. Нестерова, К.Е Пономарёв, Ю. С. Бахтина
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОПТИЧЕСКОГО И ТЕРМОАКУСТОЭМИССИОННОГО МЕТОДОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ОКИСЛЕННОСТИ ИСКОПАЕМЫХ УГЛЕЙ
Приведены результаты экспериментальных исследованиий, свидетельствующие о возможности оценки окисленности углей при помощи оптического и термоакустоэмисси-онного методов.
Ключевые слова: уголь, окисленность, оптический метод, акустическая эмиссия, тер-моакустоэмиссионный эффект памяти.
Способность взаимодействовать с окислительными реагентами, такими как кислород, вода и диоксид углерода является одним из базовых свойств ископаемого органического сырья, определяющих склонность его к окислению и самовозгоранию. Среди этих реагентов наибольшую активность в процессах естественного окисления углей проявляет кислород. Процессы окисления происходят на всех стадиях углеобразования, однако мы ограничимся процессами природного выветривания и окислением, происходящим в пластах при их эксплуатации. Последнее имеет место при разработке угольных пластов, когда естественная восстановительная среда вытесняется окислительной. При общем свойстве взаимодействовать с кислородом, скорость этого процесса для разных углей неодинакова. Даже для углей одной стадии метаморфизма, близкого петрографического и вещественного (влага, зольность, минеральные составляющие) состава, склонность углей к окислению различна и определяется генетическим типом гелифицирован-ного органического вещества (витри-нита) [1, 2]. Генетический тип угля
является параметром, характеризующим структуру и текстуру органического вещества витринитов, не зависит от стадии метаморфизма угля и является обобщенным для различных угольных бассейнов. В работе [3] на основе параметризации изображений микроструктур углей методом флик-кер-шумовой спектроскопии (ФШС), были установлены характеристические параметры описания органического вещества витринитов. В самом общем случае выделены 4 генотипа углей: I -телинитовые угли, II - посттелинито-вые угли, III - преколлинитовые угли, IV - коллинитовые угли. Основные отличия между ними связаны с различной степенью разложения органического вещества и соответственно с ФШС- параметрами описания микроструктуры.
При сравнении изометаморфных углей разных генотипов было установлено [1], что разрушение углей ЬП генотипа (при термоокислении в интервале 150-300 С) приводит к образованию густой сетки трещин, затрагивающих все зерно и приводящих к нарушению его сплошности.
Определение химического и функционального состава окисленных углей показало, что относительное уменьшение содержания углерода при термоокислении больше для углей III-IV генотипа. Такие закономерности указывают на большую реакционную способность углей III-IV генотипа при окислении и, как результат, на их большую склонность к возгоранию при более высоких температурах. Данные по влиянию структурно-текстурных и структурнохимических особенностей углей разных генотипов на изменение их свойств легли в основу методики оценки склонности углей к окислению и самовозгоранию.
В настоящей работе рассматривается возможность оценки окисленности углей на основе оптического и термоаку-стоэмиссионного методов исследования.
Результаты оценки окисленности углей оптическим методом
Для проведения исследований были выбраны каменные угли Кузнецкого бассейна, добываемые открытым способом. Угли характеризуются одинаковой стадией метаморфизма и близким петрографическим составом. Образцы 1-3 отобраны из смежных пластов разреза «Южный». Образцы 4 и 5 относятся к углям разреза «Распадский» и соответствуют разной категории природной окисленности: Разрез «Южный», пл.66 марка Г; Разрез «Южный», пл.67 марка ГЖО; Разрез «Южный», пл.68 марка Г; Разрез «Распадский» пл.7 (сильно-окисленный); Разрез «Распадской» пл.9 (средне-окисленный).
Для исследования были отобраны образцы углей размером 20 - 30 мм. Образцы углей (1-3) были подвергнуты окислению при температуре 160 °С в течении 20 часов. Окисление углей проводили в условиях паровоздушной среды постоянного состава.
Образцы были исследованы микроскопическим методом. Для этого образцы углей до и после окисления были пропитаны эпоксидной смолой с отвер-дителем для предотвращения их разрушения при шлифовании. После затвердевания смолы, были изготовлены ан-шлиф-куски углей. Анализируемую поверхность образцов выбирали перпендикулярно напластованиям.
Исследование поверхности образцов проводили на оптической установке, состоящей из микроскопа OLYMPUS 5i BX, видеосистемы и блока регистрации и обработки данных. Определяли степень окисленности углей в процентах по ГОСТ 8930-94.
ОКоп = В-Ш/СВ+Н), (i)
где В - число точек выветренных площадей аншлифа, Н - число точек невы-ветренных площадей аншлифа.
Также, были проведены определения удельной трещиноватости Т (мм-2), как отношение количества трещин (N) к площади соответствующей поверхности (S, мм2)
Туд = N/S. (2)
Результаты проведенных исследований представлены в таблице.
Полученные результаты показали, что образцы углей i и 2 имеют близкие показатели окисленности, в то время как для угля З соответствующие показатели в 2 раза выше. Трещины в этом образце ориентированы перпендикулярно друг другу, разбивая поверхность на блоки. Полученные данные, а также предварительный тест на окисленность (по окрашиванию щелочной пробы) дают основание считать уголь З окисленным. Для углей i и 2 признаки окисленности не обнаружены.
Окисление углей i и 2, имеющих близкие показатели окисленности, про-
Результаты определения степени окисленности и удельной трещиноватости образцов угля
Образец № п/п Степень окисленности ОКоп, % Удельная трещиноватость, ГЖЧ -2 1 уд, мм
исходный окисленный 14 7,5
27 20,5
^ исходный окисленный 16 10
22 13,3
л исходный окисленный 74 70
33 26
текает в разной степени: более активно происходит разрушение угля
1. Интересный результат получен для образца 3. Окисление приводит к снижению показателей ОКоп и Туд. При этом после окисления наблюдаются разрушения образцов углей с образованием большого количества мелких классов углей. Дополнительное окисление уже окисленных углей приводит к разрушению образцов и образованию мелочи. Характер трещинообразования при окислении угля 3 такой же, как для углей 1 и 2: окисление в паровоздушной среде приводит к образованию магистральных трещин во взаимно-перпендикуляр-ных направлениях (рис. 1-3). При этом также наблюдается образование большого количества каверн на поверхности углей.
Угли 4-5, окисленные в естественных условиях, характеризуются показателем ОКоп близким к 100%. Дополнительное окисление, также как и для угля 3, приводит к активному разрушению образцов и снижению показателей окисленности на отдельных зернах.
Результаты оценки окисленности углей термоакустоэмиссионным методом
Для оценки окисленности был применён также термоакустоэмиссионный метод. Суть метода заключается в регистрации акустической эмиссии в образце
при его нагревании. В результате проведённых термоакустоэмиссионых измерений были получены результаты, интерпретация которых позволяет качественно определить степень окисленности углей.
Проводилось две серии измерений. Первая серия включала измерения в процессе нагревания образцов до 250 °С со скорость нагревания от 8 до 11 °С в минуту. Её целью являлось установления характера проявления АЭ. Во второй серии проводились измерения для выявления термоакустоэмиссионного эффекта памяти (ТЭП).
Для неокисленных образцов группы 1-3 активность АЭ проявлялась на достаточно высоком уровне (рис. 4, а).
Явное проявление эмиссии наблюдается при температуре выше 140 - 150 °С. Данные угли не являются окисленными и, как следствие, не имеют густой сетки трещин, а следовательно, у образца не нарушена целостность, что и отражается на характере АЭ.
Для искусственно окисленных углей уровень эмиссии снизился. При этом характер проявления АЭ стал дискретным. На рис. 5 представлен пример для искусственно окисленного образца.
Показатель трещиноватости ОКоп. указывает на то, что у искусственно окисленных образцов образуется сетка
Рис. 2. Трещины в угле N»2 (а - исходный, б - окисленный)
Рис. 3. Трещины в угле №3 (а - исходный, б - окисленный)
Рис. 4. Зависимость активности АЭ от температуры во времени для неокисленного (а), искусственно окисленного (б) и окисленного в естественных условиях (в) образцов
трещин и степень их разупрочнения выше, чем у неокисленных образцов. Как следствие, нарушаются упругие связи между отдельными элементами образца, а возникающие в результате нагревания внутренние термонапряжения не всегда сопровождаются образованием сигналов АЭ. Кроме того, даже в случае возникновения таких сигналов в трещиноватой среде, они быстро затухают.
На образцах окисленного в естественных условиях угля эмиссия проявлялась слабо. Угли 4 и 5, окисленные в естественных условиях, характеризуются показателем ОКоп. близким к 100%, что проявляется в значительной нару-шенности их структуры. При этом образцы разрушаются при небольших механических воздействиях. При разрушении образца при нагревании отмечается пик активности АЭ (рис. 4, в).
ТЭП проявляется при циклическом нагревании образца горной породы с возрастающей от цикла к циклу амплитудой температурного воздействия и заключается в невоспроизводимости АЭ вплоть до максимальной температуры предшествующего цикла, когда АЭ скачкообразно возрастает до уровня соответствующего значению Т^ [4].
Процесс окисления сопровождается на-
рушением структуры геоматериала, что приводит к невоспроизводимости ТЭП. Следовательно, проявление ТЭП указывает на тот факт, что уголь не был подвержен окислению или является слабо окисленным. Количественно оценить воспроизводимость ТЭП позволяет параметр FR (Felicity ratio - FR). Применительно к ТЭП показатель сохранности имеет вид
fRt = TMi
(3)
ТП V,
* - температура, при которой проявляется ТЭП в тестовом цикле нагревания, а Т^х - максимальная температура
исследуемого образца горной породы в первом (установочном) цикле его нагревания.
При испытании образцов на проявление ТЭП были выявлены следующие закономерности. Для неокисленных углей эффект памяти проявился, но показатель сохранности памяти FRT принимал низкие значения (FRT ~ 0.75).
Для слабо окисленных углей этот показатель составил ~ 0,65. Значение данного параметра характеризует
«стирание памяти», то есть чем показатель FRT ниже, тем хуже сохранность памяти. Что же касается сильно окис-
б)
300
250
200
150
100
50
0
Т, град. С
N£ , соб./ с
Время, с
500 1x10
Время, с
—'о
1.5хЮ3
Рис. 5. Зависимость активности АЭ в установочном (а) и тестовом (б) циклах нагревания неокисленного угля
Рис. 6. Активность АЭ слабо окисленных углей в установочном (а) и тестовом (б) циклах нагревания
Рис. 7. Активность АЭ сильно окисленных углей в установочном (а) и тестовом (б) циклах нагревания
ленных углей, то у них ТЭП не наблюдался. Это указывает на нарушенность структуры у сильно окисленных углей.
На рис. 5, а, б, 6, а, б, 7, а, б приведены результаты испытаний образцов не-окисленного, слабо окисленного и сильно окисленного угля в установочном и тестовом циклах соответственно.
Выводы
Представленные результаты экспериментальных исследований свидетель-
ствуют о возможности оценки степени окисленности угля оптическим методом на основании определения количественных и качественных характеристик на-рушенности поверхности образцов, а также о возможности такой оценки на основе термоакустоэмиссионных измерений.
При термоакустоэмиссионных испытаниях по выявлению характера проявления АЭ были получены следующие
особенности. Для неокисленных углей активность АЭ проявлялась на высоком уровне, для слабо окисленных образцов угля уровень проявления активности АЭ стал ниже, а для сильно окисленных -эмиссия проявлялась слабо. То есть, чем больше степень окисленности угля, тем всё слабее проявление АЭ.
1. Эпштейн С.А. Физико-механи-ческие
свойства витринитов углей разных генотипов. - Г орный информационно-аналитический
бюллетень. - 2009. - №8. - С.58-69.
2. Эпштейн С.А., Нестерова В.Г., Монгуш М.А. Методы оценки склон-ности углей к окислению и само-возгоранию. Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. -№12. - С. 211-216.
При испытании образцов на термоэмиссионный эффект памяти было отмечено, что с ростом степени окисленности угля показатель сохранности памяти FRT снижался (для неокисленных углей FRT принимал значения - 0,75, а для слабо окисленных - - 0,65), в то время как для сильно окисленных углей ТЭП не наблюдался.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Aipshtein S.A., Novikova V.A. Definition of inclination of coals to oxidation by pétrographie and structural attributes // Proceeding of International Conference on Coal Science and Technology. Nottingham, UK, August 28th - 31st 2007. - CD.-University of Nottingham. - 8p.
4. Ржевский В.В., Ямщиков В.С., Шкуратник В.Л. Термоэмиссионные эффекты памяти горных пород.//Доклады АН СССР. -1985. - Т. 283. - №4. Ш
— Коротко об авторах -------------------------------
Нестерова В.Г., Пономарёв К.Е. - аспиранты; Бахтина Ю. С. - студент,
E-mail: ftkp@mail.ru
Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор 1 Название работы \ 1 Специальность \ 1 Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ВОРОНОВ Г еннадий Александрович Геомеханическое обоснование глубинного захоронения промышленных отходов в подрабатываемых породных массивах 25.00.20 25.00.16 к.т.н.
