Прочность на растяжение уголь

Физико-механические свойства твердых горючих ископаемых определяют довольно широкий спектр усло-вий, касающихся как их добычи, так и дальнейшей пере-работки и использования.

К основным физико-механическим свойствам углей относят следующие: прочность, хрупкость, твердость, дробимость, пластичность, пористость и упругость. Все эти свойства находятся во взаимосвязи и в значительной мере обусловлены составом и структурными особен-ностями органического вещества, а также минеральных включений и примесей [3].

Твердость

Под твердостью углей понимают их способность оказывать противодействие проникновению в них дру-гого,  более твердого тела (стальной иглы, алмаза и других минералов). По шкале минералогической твердости Мооса показатели для каменных углей изменяются в пределах от 2 до 5. Измеренная под микроскопом удельная величина алмазной пирамиды, вдавливаемой в уголь под постоянной нагрузкой, характеризует микротвердость углей, которую определяют под прессом ПМТ-3 и рас-считывают в кг/мм2 [18]. Закономерности изменения микротвердости углей с ростом степени их метамор-физма, характеризуемой выходом летучих веществ (Vdaf) и содержанием углерода (Cdaf) показано на рисунке 2.13.

Рис. 2.13. Зависимость микротвердости каменных

             углей от степени метаморфизма             

Установлено, что каменные угли, как правило, обла-дают большей микротвердостью, чем бурые (в подмос-ковном буром угле она равна 60 МПа). Наименьшей микротвердостью характеризуются угли марки Д (140 – 180 МПа); для газовых углей она возрастает, затем в углях марок Ж, К и ОС примерно одинакова, но при переходе к тощим углям и антрацитам микротвердость резко повы-шается, составляя в последних в среднем 910 МПа [3].

При исследовании, же, петрографических макроин-гредиентов донецких углей установлено, что микро-твердость витрена составляет 20,2 кг/мм2, а дюрена – 15,6 кг/мм2.

Хрупкость

Хрупкость углей – это их свойство разрушаться при механическом воздействии без применения молотков, шаров и других измельчающих устройств, т.е. хрупкость характеризует способность углей крошиться. Хрупкость определяется при разрушении угля в различных полых вращающихся цилиндрах или при сбрасывании образцов угля на металлическую плиту. Принятый метод опреде-ления хрупкости углей (ГОСТ 7714­) основан на обра-ботке их в стальных закрытых вращающихся барабанах без шаров [19]. Изменение хрупкости донецких углей с ростом степени их метаморфизма, определенное стан-дартным методом, показано на рисунке 2.14.

Рис. 2.14. Изменение хрупкости донецких

            углей с повышением степени их

            метаморфизма (по Л.Н.Быкову)                                             

Хрупкость углей связана со ступенью диагенеза и метаморфизма, а также зависит от петрографического сос-тава. Самым хрупким является матовый мягкий ингра-диент фюзен. Витрен – твердый хрупкий макроком-понент, вследствие чего он является самым трещино-ватым и раздробленным. Кларен размалывается с усилием и дает крупные куски. Дюрен – плотный и вязкий уголь, раскалывается с трудом. По мере увеличения степени метаморфизма хрупкость углей сначала повышается от бурого к каменному до коксовой техгнногологической марки. Уголь марки К является наиболее хрупким. Даль-нейшее увеличение степени метаморфизма приводит к уменьшению хрупкости угля от марки К до марки А. Эта закономерность изменения хрупкости связана со спека-емостью плавких мацералов углей [20].

Дробимость углей

Дробимость углей характеризует их способность разрушаться под воздействием внешних разрушаюших устройств, таких как молотки, бичи, шары и т.п. Дроби-мость определяется по удельному количеству работы, затрачиваемой на образование новой поверхности, или по выходу мелких классов после измельчения угля. Для определения дробимости углей существует много методов, которые различаются способом разрушения кус-ков угля и наиболее распространенными являются сле-дующие методы:

а) УХИНа – обработка угля в лабораторной молот-ковой мельнице;

б) ВТИ – обработка угля в лабораторной шаровой мельнице;

в) ИГИ – разбивание кусков угля путем сбра-сывания на них груза с постоянной высоты (копровый метод);

Во всех этих случаях дробимость угля оценивается количеством угля, оставшимся нераздробленным после обработки, и выражается в процентах к общему весу исследуемого угля [19].

Закономерность изменения дробимости донецких углей с ростом степени их метаморфизма, выраженной выходом летучих веществ (Vdaf) и содержанием углерода (Cdaf), показана на рисунке 2.15.

Рис. 2.15. Изменение дробимости в метаморфичес-

            ком ряду донецких каменных углей                                          

Копровым методом (по ИГИ) исследовали дроби-мость разных типов донецких углей и выразили ее в удельных показателях работы, которая затрачивается на разбивание кусков угля до равной степени измельчения; получены следующие величины: угли марки Д – 650 г/см, К и ОС – 70 г/см, полуантрациты – 500 г/см, антрациты – 925 г/см [19].

Прочность углей

  Под механической прочностью понимают спо-собность твердых тел сопротивляться деформации и разрушению при обработке; механическая прочность из-меряется величиной работы, расходуемой на единицу вновь образующейся при разрушении поверхности тела.

Рис. 2.15а Зависимость механической прочности

              углей по копру – Пк, г/см) от степени

              метаморфизма (по Двужильной Н.М.)                 

 В зависимости от задач и метода исследования раз-личают следующие виды механической прочности тела: дробимость, хрупкость и сопротивление сжатия [19].

Сопротивление сжатию

Сжимаемость углей (χ) характеризуется изменением их объема при давлении в условиях постоянной темпе-ратуры и выражается в см2/дин. Показатели коэффи-циента сжимаемости углей определяются расчетным путем по модулю упругости (E) и коэффициенту Пуас-сона (μ), который для каменных углей равен 0,345 по уравнению:

                         см2/дин;

Закономерности  изменения коэффициента сжима-емости углей с ростом степени их метаморфизма, характе-ризуемой процентным содержанием углерода, графически представлены на рисунке 2.16

Рис. 2.16. Зависимость сжимаемости углей от степе-

             ни метаморфизма

Максимальное сопротивление сжатию углей опре-деляется раздавливанием угольной призмы вдоль или перпендикулярно плоскости напластования угля и выражается в кг/см2.

Для определения величины сопротивления сжатию призма, изготовленная из куска угля, подвергается раз-давливанию под специальным прессом так, чтобы силы сжатия действовали вдоль или параллельно плоскости напластования. В таблице _______ приводятся величины сопротивления сжатия вдоль напластования некоторых углей Донецкого и Кузнецкого бассейнов.

Таблица

Прочность на сжатие, измеренная перпендикулярно напластованию, в 1,5 – 2,0 раза больше указанных в таб-лице величин, измеренных вдоль напластования [19].

Упругость углей

Модуль Юнга характеризует упругие свойства углей, может определяться статическими испытаниями на изгиб или же путем сжатия, а также динамическим методом с помощью механических вибраций. Наиболее характерные показатели модуля Юнга, измеренные статическим и динамическим методами приведены в таблице ______.

Таблица ______ Величины модуля Юнга ×1010 для некоторых типов углей, дин/см2

В последнее время обнаружена способность зерен спекающихся каменных углей претерпевать пластичес-кую деформацию, т.е. проявлять текучесть при ком-натной температуре под давлением более 1,55×103 кг/см2.

Заключение

Анализ физико-механических, физических и хими-ческих свойств углей Донбасса в ряду метаморфизма сви-детельствует об их различном проявлении, которое имеет сложный и не всегда линейный характер, являющийся отражением сложных нелинейных процессов геологичес-ких и тектонических факторов углефикации исходного ве-щества. Марки углей существенно отличаются струк-турно-химическими и физико-механическими свойства-ми. Марки углей средней стадии метаморфизма (Ж, К, ОС, Т) имеют минимальные значения: механической прочности по Копру, плотности, энергии активации диф-фузии метана из угля, энергии активации разрушения углей, коэффициентов тепло- и температуропроводности, а также имеют высокие значения: измельчаемости, дро-бимости, сорбционной набухаемости, природной газо-носности, давления газов в пласте, удельного электричес-кого сопротивления и в результате характеризуются высо-кой степенью выбросоопасности.

Таким образом, всестороннее изучение законно-мерностей изменения самого широкого спектра свойств углей в ряду метаморфизма имеет важное значение для практического решения многих вопросов безопасного ве-дения горных работ в сложных горно-геологических усло-виях.

Список литературы:

1. Николин В.И. Представления (гипотеза) о при-роде и механизме выбросов угля, породы и газа [Текст] / В.И. Николин // В кн.: Основы теории внезапных выбросов угля, породы и газа. – М.: Недра, 1978. – С. 122 – 139.

2. Технологические характеристики и класси-фикации углей

ea.donntu.edn.ua./bitstream/123456789/11096/1/

TehnObUglei.pdf

3. Самойлик В.Г. Классификация твердых горючих ископаемых и методы их исследования: [моно-графия] / В.Г.Самойлик. – Харьков: Водный спектр Джи-Ем-Пи, 2016. – 308с.

4. С.А.Эпштейн Физико-механические свойства витринитов углей разных генотипов. – Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2009. – №8. – C. 58 – 69

5. Гюльмалиев А.М., Головин Г.С., Гладун Т.Г. Теоретические основы химии угля. – М.: Издательство МГУ, 2003. – 556 с.

6. Эпштейн С.А. Обоснование и разработка мето-дов изучения структурных особенностей углей для определения динамики их свойств под влиянием внешних воздействий. Автореферат дисс. на соискание уч. ст. докт. техн. – наук – Москва, 2009. – 39 с.

7. Агроскин А.А. Химия и технология угля. М.: Издательство “Недра”, 1969. – 240 с.

8. Пособие для слушателей курса “Анализ качества угля”. Федеральный институт повышения квали-фикации.

9. Скопинцева О.В. Научное обоснование комп-лексного метода снижения пылевой и газовой опасности в угольных шахтах. Автореферат дис-сертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва. 2011.

10.  Агроскин А.А., Глейбман В.Б. Теплофизика твердого тела. – М., Недра, 1980. – 256 с.

11.  Теплоемкость и теплота пиролиза углей Дон-басса / А.А.Агроскин, Е.И.Гончаров, Л.А.Макеев и др. – Кокс и химия, 1970, №5, с. 8 – 15

12.  Касаточкин В.И. Переходные формы углерода. – В сб.: структурная химия углерода углей. М., Наука, 1969, с. 7 – 16.

13. Тайц Е.М. Методы анализа и испытания углей / Е.М.Тайц, И.А.Андреева. – М.: Недра, 1983. – 301с. 

14.  Еремин И.В., Лебедев В.В., Цикарев Д.А.  Пет-рография и физические свойства углей. – М.: Недра, 1980. – 263с.

15.  Еремин И.В. Изменение петрографических осо-бенностей углей при окислении их в естествен-ных условиях. – М.: Изд-во АН СССР, 1956. – 82с.

16.  Абрамов А.А. Флотационные методы обогаще-ния. – М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2008. – 3-е издание. – 710с.

17.  Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха. – М.: стройиздат, 1981. – 296 с.

18.  Де Жен П.Ж. Смачивание: статика и динамика //     Успехи физических наук, 1987. – Т.151. – Выпуск 4. – С.619 – 678                                           

19.  Справочник коксохимика в 6-ти томах под ред.

 ред. инж. А.К.Шелкова, т.1, Изд. Металлургия,

 М. 1964. 490 с.                                                         

      20. Шестакова О.Е. Визуальная диагностика при-

            родных видов и технологических марок иско-

            паемых углей / О.Е.Шестакова // Вестник Куз-

            басского государственного технического уни-

            верситета. – 2010. – вып.1. – №1. – С.1 – 8

        21. Русьянова Н.Д. Углехимия. – М.: Наука, 2003.

                   – 316 с.                                                                      

      22. Онусайтис Б.А. Образование и структура до-

            менного кокса – М.: Изд. АН СССР, 1960,

            430 с.

      23. Геология месторождений угля и горючих слан-

            цев СССР т.1, – М.: Гос. науч.-техн. изд. литер.

            по геол. и охране недр, 1963. – 1210 с.

      24. Штах Э., Маковски М.Т., Тейхмюллер М. Пет-

            рология углей. М., 1978. 560 с.

    Конспект лекций по геологии для горного дела доцента кафедры РиЭМПИ Воркутинского филиала УГТУ Киселева Н.Н., канд. геол.-минер. наук, с.н.с. (физические процессы горного производства).

Лекция 1

Геология это наука, изучающая состав, строение и закономерности развития Земли. Ее суть состоит в рассмотрении состава и структуры литосферы, изучении геологических процессов различными методами с использованием способов и данных смежных наук о Земле.

Существуют различные мнения о времени появления геологии как науки.

В любом случае первые наблюдения, которые можно отнести к динамической геологии выполнены еще в античные времена такими учеными, как Аристотель, Пифагор, Страбон, Плиний Старший. В их работах содержится информация о катастрофических геологических процессах (землетрясениях и извержениях вулканов), явлениях выветривания и геоморфологических процессах (изменение береговых линий).

Первые минералогические наблюдения, а именно описания минералов и классификации геологических тел содержатся в работах Аль-Бируни и Ибн-Сины X – XI веков.

В эпоху возрождения основные открытия в данной сфере были совершены в Европе. В эти времена геологическими исследованиями занимались Джироламо Фракасторо и Леонардо да Винчи. Ими были сделаны предположения о большем возрасте Земли, чем данный в христианских источниках, и о том, что ископаемые раковины являются останками организмов. Нильс Стенсен сформулировал три основных принципа стратиграфии, Георгием Агриколой были заложены основы минералогии.

В конце XVII века, благодаря предложению Мартина Листера, появились первые геологические карты и проведена геологическая съемка.

На рубеже XVII и XVIII веков была сформулирована общая теория Земли , предполагающая формирование осадочных пород и окаменелостей в результате всемирного потопа.

Во второй половине XVIII века значительно возросли потребности в ресурсах. Это способствовало усиленному изучению недр, в результате чего были накоплены данные об условиях залегания горных пород и их описания, а также разработаны новые методы изучения. Одним из наиболее известных ученых тех времен является Джеймс Хаттон, создавший «Теорию Земли». Он предположил, что возраст планеты значительно больше, чем думали ранее. Его же считают первым современным геологом. Появились две теории формирования горных пород: плутоническая (вулканическая) и неплутоническая (осадочная). В тот же период в России геологическими исследованиями занимался Ломоносов М.В., основатель Московского университета.