Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Доклад'
По данным диссертационной работы Зузули Игоря Валентиновича (руководителя департамента по физической культуре и спорту Краснодарского края) за 2008 г...полностью>>
'Документ'
именуемый(ая) в дальнейшем "Работник", с другой стороны, а вместе именуемые "Стороны", заключили настоящий трудовой договор о ниж...полностью>>
'Рабочая учебная программа'
Данная рабочая программа литературе для 11 класса создана на основе федерального компонента государственного стандарта среднего (полного) общего обра...полностью>>
'Документ'
Актуальность данного исследования заключается в том, что в настоящей работе будут рассмотрено понятие комического как литературная и эстетическая кат...полностью>>

Обоснование и разработка методов изучения структурных особенностей углей для определения динамики их свойств под влиянием внешних воздействий

Главная > Автореферат
Сохрани ссылку в одной из сетей:

На правах рукописи

Эпштейн Светлана Абрамовна

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ

ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ

УГЛЕЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИКИ

ИХ СВОЙСТВ ПОД ВЛИЯНИЕМ ВНЕШНИХ

ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 25.00.16 - «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2009 г.

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московский государственный горный университет

Научный консультант

доктор физико-математических наук, профессор Широчин Дмитрий Львович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ермолов Валерий Александрович

доктор геолого-минералогических наук Кузькин Вячеслав Иванович

доктор технических наук, профессор Шейнин Владимир Исаакович

Ведущая организация – УРАН Институт проблем комплексного освоения

недр РАН (г.Москва)

Защита диссертации состоится «03» марта 2010 г. в «1300» часов на заседании диссертационного совета Д‑212.128.04 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан « ____»___________ 2010 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

докт. техн. наук, профессор Ю. В. Бубис

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Совершенствование существующих и разработка новых методов и средств геологического изучения угольных месторождений являются неотъемлемой частью организации эффективных экологически безопасных горнодобывающих технологий. Учитывая сложное строение угольных пластов, высокую неоднородность самого угольного вещества, совместное воздействие физических полей и активных химических сред при ведении горных работ, актуальность приобретают интегрированные подходы в изучении структуры и свойств углей, позволяющие оценивать вклад различных структурных элементов и их взаимное влияние на горно-геологические процессы. Такие подходы являются основой эффективного мониторинга разрабатываемых месторождений, прогнозирования горно-геологических явлений и процессов, а также управления качеством добываемого угольного сырья с учетом его комплексного использования и охраны окружающей среды.

Существующие в настоящее время подходы к оценке изменения физико-механических и физико-химических свойств ископаемых углей при решении проблем их добычи и переработки основываются преимущественно на данных об их петрографическом и химическом составе, а также стадии метаморфизма. Внедрение в практику горнопромышленной геологии петрографических методов анализа, осуществленное Ю.А.Жемчужниковым, И.И.Аммосовым и др., создание под руководством И.В.Еремина единой промышленно-генетической классификации углей, позволили определить ряд их количественных параметров, отражающих влияние генезиса и метаморфизма на физико-механические и физико-химические свойства. Фундаментальные исследования сорбционных свойств углей, проведенные под руководством И.Л.Эттингера, также позволили оценить влияние петрографического состава углей, находящихся в условиях их естественного залегания, и их метаморфизма на развитие газодинамических явлений в пластах.

Однако в рамках существующих базовых представлений не находит объяснения природа существующих различий механических и физико-химических свойств углей разных месторождений, имеющих идентичный петрографический состав и близкую стадию метаморфизма.Tакие различия связаны с ранее не учитываемыми структурно-текстурными особенностями базового компонента углей, определяющего их основные качественные свойства – гелифицированного на стадии генезиса витринита. Фундаментальные исследования осадочного процесса, выполненные в последние десятилетия прошлого века П. П. Тимофеевым, Л. И. Боголюбовой и др., позволили выявить общие закономерности в формировании структуры органического вещества и вмещающих пород углей большинства месторождений. На основании этих исследований была создана генетическая классификация гумусовых углей месторождений России и стран СНГ. Основным параметром этой классификации принят генетический тип углей, характеризующий их органическое вещество во всем метаморфическом ряду по степени разложения лигниноцеллюлозных тканей.

Все вышесказанное показывает, что на сегодняшний день существует два основных подхода к изучению структуры, физико-механических и физико-химических свойств углей. Первый – петролого-технологический – основан на установлении взаимосвязей между петрографическим и химическим составом вещества углей в целом и их свойствами. Этот метод не учитывает особенностей текстуры органического вещества углей. Второй подход – геолого-генетический – позволяет установить качественные зависимости между макроструктурой органического вещества углей, фациальными факторами углеобразования и природой исходного растительного материала. Его недостатком является отсутствие количественных параметров, адекватно описывающих структурно-текстурные особенности угольного вещества. Таким образом, в настоящее время отсутствуют методы изучения структуры и свойств углей, объединяющие достоинства указанных выше подходов и исключающие их недостатки. В связи с этим обоснование и разработка методов изучения структурных особенностей углей для определения динамики их свойств под влиянием внешних воздействий является актуальной проблемой.

Работа выполнялась в рамках проектов РФФИ 06-05-65189-а и 09-05-00263-а, а также Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 год» мероприятия 1.2.2 Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук (Государственный контракт №П1437).

Идея работы. Установление фундаментальных зависимостей между структурными характеристиками углей разных генотипов и их физико-механическими и физико-химическими свойствами в условиях воздействия полей различной физической природы и активных сред на основе представлений о преобразовании органического вещества углей на стадии генезиса.

Цель работы. Обоснование и разработка методов изучения структурно-текстурных и структурно-химических особенностей углей различного генезиса и метаморфизма для определения динамики изменения их свойств в условиях воздействия полей различной физической природы и активных сред.

Задачи исследований

  1. Обоснование применения представлений о структурно-текстурных и структурно-химических особенностях витринитов углей разных генетических типов для объяснения различий в свойствах изометаморфных углей разных месторождений.

  2. Параметризация изображений, полученных при микроскопическом исследовании шлифов углей в проходящем поляризованном свете, и разработка на этой основе метода определения генотипов, выбор в рамках этого метода количественных параметров, адекватно описывающих особенности углей разных генотипов.

  3. Определение экспериментальных зависимостей между параметрами микроструктур углей и их физико-механическими свойствами в условиях воздействия полей различной физической природы и активных сред.

  4. Изучение влияния структурно-химических особенностей углей разных генотипов на процессы разрушения углей при механических и тепловых воздействиях, сорбционном деформировании и окислении.

  5. Разработка на основе полученных результатов фундаментальных исследований роли генотипа в формировании качественных характеристик углей рекомендаций по их рациональному использованию.

Методы исследований:

- оптическая микроскопия углей в проходящем поляризованном свете для визуальной оценки генотипа;

- обработка изображений микроструктур углей с использованием метода фликкер-шумовой спектроскопии (ФШС) для получения количественных параметров, адекватно описывающих структурно-текстурные особенности витринитов разных генотипов;

- методы определения физико-механических свойств углей: микротвердости, микрохрупкости, трещиноватости, дробимости, распределения частиц по размерам по ГОСТированным и апробированным методикам;

- стандартные методы определения технического, элементного и петрографического состава углей;

- физико-химические методы определения содержания кислородсодержащих функциональных групп в углях;

- экспериментальные методы механической, термической, криогенной и электромагнитной импульсной обработки углей;

- методы изучения сорбции углями органических жидкостей и газов;

- термогравиметрическое и ИК-спектрометрическое исследование углей;

- методы численного моделирования на основе экспериментальных данных по сорбции-десорбции углями активных веществ;

- метод ИМИДЖ-анализа для определения гранулометрического состава тонких классов углей.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

  1. В рамках существующих базовых представлений невозможно объяснить природу различий механических и физико-химических свойств углей разных месторождений, имеющих идентичный петрографический состав и близкую стадию метаморфизма. Такие различия связаны с ранее не учитываемыми структурными особенностями базового компонента углей, определяющего их основные качественные свойства – гелифицированного на стадии генезиса витринита.

  2. Переход от качественных оценок к количественным параметрам, адекватно описывающим структурно-текстурные особенности образцов углей, является основой использующегося для их геолого-промышленной оценки метода определения генетического типа. При этом структурно-текстурные особенности углей, заключающиеся в отличии размеров, формы, взаимного расположения и степени разложения фрагментов лигнино-целлюлозных тканей, описываются параметрами, полученными при обработке изображений шлифов методом фликкер-шумовой спектроскопии (ФШС), отражающими меру ступенчатости изменяющейся контрастности и острийность в изменениях контрастности.

  3. Физико-механические свойства углей, такие как микрохрупкость, трещиноватость и распределение частиц по классам крупности при механическом разрушении, криогенном и комбинированном воздействии, определяются количественными ФШС-параметрами, отражающими структурно-текстурные особенности углей разных генотипов.

  4. Такие характеристики, как количественное соотношение между алифатическими и ароматическими составляющими органического вещества углей, содержание общего и функционального кислорода, а также степень снижения прочности углей при взаимодействии со специфическим сорбатом – диметиформамидом (ДМФА), определяют структурно-химические особенности углей разных генотипов. Использование вышеуказанных характеристик в рамках традиционных и разработанных методов изучения структурно-химических особенностей углей позволяет оценивать изменение их микротвердости и микрохрупкости при тепловых воздействиях, а также характер разрушения при сорбционном деформировании.

  5. Характер разрушения при окислении пластовых проб углей разной крупности и количественные показатели образующейся при этом трещиноватости определяются параметрами, отражающими структурно-текстурные особенности витринитов разных генотипов. Склонность изометаморфных углей разных генотипов к самовозгоранию зависит от содержания в них кислорода, в первую очередь функционального, а также микропористости.

  6. Включение параметров, отражающих структурные особенности витринитов разных генотипов, в номенклатуру качественных характеристик углей позволяет расширить возможности управления качеством добываемого топлива за счет разработки оптимальных условий его термической подготовки и механического измельчения. а также обеспечить комплексное использование углей в процессах получения композиционного водоугольного топлива и совместной переработки с твердыми полимерными отходами.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: большим объемом экспериментальных исследований, проведенных на образцах углей разных месторождений; использованием для характеристики углей стандартных и апробированных методик; использованием аппаратурного обеспечения с высокими метрологическими характеристиками; удовлетворительной корреляцией между структурно-текстурными параметрами, полученными при обработке изображений углей методом ФШС, и их базовыми физико-механическими характеристиками; сходимостью и воспроизводимостью результатов определения структурно-текстурных и структурно-химических параметров углей, выполняемых в разное время и при неоднократном повторении.

Научная новизна:

  1. Впервые получены количественные параметры, отражающие структурно-текстурные особенности витринитов углей разных генетических типов, заключающиеся в различии размеров, формы, взаимного расположения и степени разложения фрагментов лигнино-целлюлозных тканей. Установлены интервалы изменения этих параметров для углей различных месторождений.

  2. Установлены корреляционные зависимости между параметрами, отражающими структурно-текстурные особенности витринитов углей разных генетических типов, и их физико-механическими свойствами. Показано, что увеличение степени гетерогенности органического вещества углей, описываемое соответствующими параметрами, определяет пропорциональное увеличение микрохрупкости углей и более широкое распределение частиц по классам крупности при дроблении, истирании, криогенной и комбинированной (криогенной и электромагнитной импульсной) обработке углей.

  3. Установлено, что структурно-текстурные особенности вещества витринитов углей в процессах сорбционного деформирования определяют форму трещин и характер разрушения углей. Адсорбционное снижение прочности при обработке углей специфическим растворителем – диметилформамидом, избирательно воздействующим на межмолекулярные связи в структуре углей, определяется особенностями надмолекулярной организации углей разных генотипов. Структурные особенности углей, оцениваемые по соотношению в них алифатических и ароматических структур, по содержанию общего и функционального кислорода, а также по степени адсорбционного снижения прочности, определяют показатели микротвердости углей и характеристики разрушения при сорбционном деформировании.

  4. Получены экспериментальные зависимости, отражающие влияние структурно-текстурных параметров углей в процессах разрушения при окислении и термической обработке. На основании полученных зависимостей разработана методика, позволяющая прогнозировать склонность углей к окислению и самовозгоранию.

  5. Разработаны критерии рационального использования углей в процессах получения водоугольных топлив и совместной переработки с твердыми полимерными отходами.

Научное значение работы состоит в обосновании применения представлений о структуре гелифицированного вещества углей разных генотипов для оценки и прогноза динамики изменения их свойств в условиях воздействия полей различной физической природы и активных сред.

Практическое значение работы заключается в разработке:

- Методики оценки склонности углей к окислению и самовозгоранию, регламентирующей процедуру определения их структурно-текстурных параметров, ответственных за различные проявления процессов окисления при добыче и переработке;

- Методики определения гранулометрического состава мелких классов углей. Применение этой методики позволяет прогнозировать поведение углей в процессах дезинтеграции в различных средах, оперативно определять содержание мелкодисперсных угольных частиц, а также оптимизировать режимы получения композиционных угольных топлив.

Реализация результатов работы. «Методика оценки склонности углей к окислению и самовозгоранию» принята на предприятии «Центр мониторинга социально-экологических последствий ликвидации шахт Восточного Донбасса» (г.Шахты, Ростовской области) для оценки состояния отработанных угольных выработок с точки зрения их пожарной безопасности. «Методика определения гранулометрического состава мелких классов углей» используется на ОАО «Ковдорский ГОК» с целью подбора угольного сырья для получения водо-угольного топлива, определения оптимальных режимов диспергирования углей и экспресс контроля технологического процесса.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы были доложены на российских и международных конференциях: Международной конференции «Prospects or Coal Science in the 21th century» (1999, Taiyuan, Chine); Международной научной конференции «Химия угля на рубеже тысячелетия» (1999, Клязьма, Россия); Международной конференции «Химия и природосберегающие технологии использования угля» (1999,Звенигород); 4-м Международном симпозиуме «Каталитические и термохимические превращения природных органических полимеров» (Красноярск, 2000); 11-й Международной конференции «Наука об угле» (Сан-Франциско, 2001); на расширенном заседании Научного совета РАН по химии ископаемого твердого топлива “Перспективы развития углехимии и химии углеродных материалов в 21 веке (2003, Звенигород); 12-й Международной конференции «Наука об угле» (2003, Австралия); Pittsburg Coal Conference (2006, США); International Conference on Coal Science and Technology (2007, Великобритания); научных симпозиумах “Неделя горняка» (2006-2009, Москва); совместных семинарах кафедр ФТКП и физики МГГУ (2007-2009).

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 научная работа.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения; содержит 78 рисунков, 30 таблиц, список использованных источников из 182 наименований.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному консультанту Дмитрию Львовичу Широчину за помощь и постоянное внимание к работе. Автор благодарит всех сотрудников кафедр ФТКП и физики МГГУ за поддержку и участие. Автор благодарит сотрудников лаборатории физико-химии углей МГГУ Владимира Ивановича Минаева, Ольгу Владимировну Барабанову и Ивана Андреевича Никитина за техническую помощь в проведении экспериментов.

Основное содержание работы

Первая глава посвящена аналитическому обзору существующих методов изучения структуры и свойств ископаемых углей и обоснованию применения представлений о структурных различиях изометаморфных углей разных генотипов для определения динамики изменения их свойств в условиях воздействия полей различной физической природы и активных сред.

Обобщая мнения представителей различных научных школ: Ю.А.Жемчужникова, Л.И.Боголюбовой, П.П.Тимофеева, В.С.Яблокова, И.Э.Вальц, И.И.Аммосова, И.В.Еремина, А.И.Гинзбург и др., к основным факторам, определяющим направление изменения органического вещества в процессе генезиса, были отнесятся природа исходного вещества углеобразования и характер внешней среды. Именно на стадии генезиса формируется петрографический и закладывается химический состав углей.

По мнению большинства отечественных и зарубежных исследователей, основные качественные свойства углей определяются их петрографическим составом и стадией метаморфизма. Широкое внедрение петрографических и рефлектометрических методов (Э.Штах, М.Тейхмюллер, И.И.Аммосов, И.В.Еремин) позволило выявить количественные взаимосвязи между составом, стадией метаморфизма и основными свойствами углей большинства месторождений. Было установлено, что петрографический состав углей оказывает существенное влияние на их прочностные и физико-химические свойства. Эти свойства существенно различаются для индивидуальных мацералов. По сравнению с фюзинитом витринит характеризуется большей трещиноватостью и хрупкостью, но меньшей твердостью. Обобщение многочисленных данных, касающихся влияния петрографического состава углей на их механические свойства, позволяет сделать следующие выводы:

- с увеличением в составе углей мацералов группы витринита возрастает дробимость улей, их размолоспособность и сопротивление резанию. Такие закономерности присущи каменным углям во всем диапазоне метаморфизма, однако различаются степенью выраженности соответствующих параметров;

- характер трещиноватости углей зависит от петрографического состава углей, в первую очередь, от содержания витринита. Эндогенная трещиноватость незначительно изменяется при малых содержаниях в углях разных стадий витринита, резкое возрастание происходит при содержании витринита более 50%. Экзогенная трещиноватость более ярко проявляется для углей, обогащенных витринитом;

- физико-химические свойства углей также существенно зависят от их петрографического состава. Особый интерес представляют данные по сорбционным свойствам углей и их газоносности. В работах И.Л.Эттингера показано, что обогащенные фюзинитом угли характеризуются более высокой сорбционной способностью по отношению к диоксиду углерода и метану. Сорбционная метаноемкость органической массы витринитовых и фюзинитовых углей также различается: большие значения характерны для фюзинита.

В качестве базовых характеристик, определяющих всю совокупность физико-механических свойств углей, приняты показатели микротвердости, микрохрупкости и трещиноватости гелифицированных компонентов углей. Изменение этих показателей при метаморфизме имеет сложный характер. Максимальные значения трещиноватости и хрупкости углей приходятся на интервал показателя отражения, в котором плотность углей имеет минимальные значения (интервал показателя отражения Ro 0,85-2,5%). В этом же интервале угли характеризуются наибольшим электросопротивлением. Микротвердость увеличивается для углей в интервале показателей отражения 0,5-1,0%, затем уменьшается вплоть до стадии метаморфизма, соответствующей 1,5%, после чего начинает опять возрастать. Изменение трещиноватости, плотности и хрупкости углей при метаморфизме оказывает существенное влияние на их гранулометрический состав (размолоспособность), сопротивление резанию и другие механические характеристики.

В 50-х годах прошлого столетия были выявлены отклонения от вышеописанных закономерностей для углей, имеющих идентичный петрографический состав и близкую стадию метаморфизма. Для этих углей было принято название «угли разных генетических типов по степени восстановленности витринита» (П.П.Тимофеев, Л.И.Боголюбова, И.И.Аммосов и др.) или «perhydrous coals» (J.Patrick и др.). Обобщая масштабные исследования углей в пластах Донецкого бассейна и Прокопьевско-Киселёвского района Кузбасса, И.И.Аммосов определил, что главными условиями для образования раз-новосстановленных углей явились восстановительный характер среды (степень участия кислорода в превращениях исходного материала) и влияние минеральных примесей на эти процессы.

В обобщающих публикациях детально рассмотрены характерные особенности углей разной восстановленности по элементному составу и структурным признакам, петрографическим отличиям, физико-химическим, физико-механическим и химико-технологическим свойствам. К более восстановленным отнесены угли с более высоким содержанием водорода, повышенным выходом летучих веществ, большей спекаемостью и лучшей растворимостью в органических растворителях, но с пониженной плотностью вещества витринита на всех стадиях углефикации. Для них также характерны большая микрохрупкость, меньшая микротвердость, более широкий разброс по плотности по сравнению с изометаморфными менее восстановленными углями. Изучение сорбционных свойств углей разной восстановленности в ИПКОН РАН и МакНИИуголь показало, что угли восстановленного типа характеризуются более низкой сорбционной метаноемкостью и меньшей газоносностью по сравнению с изометаморфными углями слабовосстановленного генотипа. В качестве классификационных параметров углей разных генотипов были приняты: для бурых углей – выход смолы полукоксования, для каменных - выход летучих веществ (Vdaf,%) и толщина пластического слоя (y, мм), а для антрацитов – анизотропия показателя отражения витринита. Выбор этих параметров обусловлен их существенной зависимостью от генетических факторов, определивших различную восстановленность углей, а также их значением для определения технологических характеристик углей. Эти классификационные параметры обеспечивают надежное отнесение углей к определенным маркам и позволяют определять их поведение в процессах технологической и энергетической переработки, однако существенно зависят от степени измельчения пробы, что делает невозможным использование этих показателей для описания процессов, происходящих в массиве угля под действием физических полей разной природы и активных сред.

Таким образом, в рамках существующих базовых представлений невозможно объяснить природу различий механических и физико-химических свойств углей разных месторождений, имеющих идентичный петрографический состав и близкую стадию метаморфизма. Это связано в первую очередь с различием подходов и методов исследования структуры и состава углей. Преобразование органического вещества ископаемых углей является предметом изучения как геологов, так и углехимиков. В осадочной геологии преобразование органического вещества диагностируют по изменению морфологии и цвета угольных мацералов (в проходящем свете) на достаточно крупных образцах проб углей, отобранных по простиранию и глубине пласта. Литолого-фациальный анализ угленосных отложений позволяет установить качественные зависимости между макроструктурой органического вещества углей, фациальными факторами углеобразования и природой исходного растительного материала. Базовыми в этих исследованиях являются структурно-текстурные особенности строения гелифицированного органического вещества углей, заключающиеся в различиях формы, размера, степени разложения исходного растительного материала и характера границ между неоднородностями.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Их функций определяется тем, что учение о системной организации деятельности мозга является основой решения важнейших вопросов педагогики, медицины и психологии

    Документ
    Значение проблемы полноценного развития человека в контексте локализации психических функций определяется тем, что учение о системной организации деятельности мозга является основой решения важнейших вопросов педагогики, медицины и психологии.
  2. Разработка технологий изготовления порошковых магнитных материалов для электротехнических изделий

    Автореферат
    Защита диссертации состоится « » 2009г. в часов в аудитории на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 250, г.
  3. Литература для самостоятельной работы 20

    Литература
    1. Социально-экономические потребности общества в подготов­ке подрастающих поколений к жизни как объективная предпо­сылка возникновения и развития педагогической теории 10
  4. Предмет и метод психологии антология

    Документ
    Психологическая наука исключительна не только в силу уникальности своего предмета – самого тонкого, сложного, возвышенного и противоречивого, чем является душа, мысль, сознание человека, но и в силу высочайшей степени свободы, которую
  5. Философия и методология науки Под редакцией В. И. Купцова (1)

    Документ
    Дать определение любому понятию, как показывает опыт, не так легко И конечно, это не просто сделать по отношению к такому сложному и многомерному явлению как наука Имеется немало подходов к определению этого понятия,

Другие похожие документы..