Прочность угля на растяжение
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
| Угли | Донецкий бассейн | Кузнецкий бассейн |
| Газовый уголь | 43 – 47 | 190 – 272 |
| Жирный и коксо- вый угли | 17 – 20 | 135 |
| Антрацит | 250 – 300 | – |
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
Тип угля | Направ- ление напряже- ний | Статистические методы | Динами- ческий метод | ||
| Сжатие кубиков 12,5 мм | Сжатие кубиков 37 мм | Изгиб | |||
Спекаю-щийся | Параллель- но наплас- тованию | 4,13 | 3,35 | 3,36 | 4,03 |
| Перпенди- кулярно напласто- ванию | 3,77 | 2,70 | – | 3,27 | |
Антрацит | Параллель- но наплас- тованию | 4,43 | 4,04 | 4,69 | 5,42 |
| Перпенди- кулярно напласто- ва нию | 4,61 | 3,77 | – | 4,59 | |
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.
Источник
В комплекс данных свойств углей входят: прочность, трещиноватость, метаноемкость, выбросоопасность. Они, наряду с другими факторами (мощность, угол падения угольных пластов и пр.), обусловливают основные проектные показатели при сооружении горных предприятий, а также выбор оборудования и машин для добычи.
Механическая прочность рассматривается как способность угля противостоять ударам и истиранию. Она имеет большое значение при оценке пригодности углей для газификации, получения термоантрацитов для электродного и литейного производства.
От прочности и трещиноватости зависит гранулометрический состав добываемых углей. Он обусловливает выбор схем и средств транспорта, тип и количество технологического оборудования шахт, разрезов и обогатительных фабрик, а также планирование показателей по выпуску и выходу сортового топлива.
И.П. Болдыревым определено сопротивление резанию углей Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса и показана его взаимосвязь с литотипным составом, содержанием микрокомпонентов группы витринита и стадией метаморфизма углей.
Установлено, что с увеличением содержания витринита снижалось сопротивление резанию углей (рис. 3.13). Угли марок К отличались минимальной прочностью, марок Г и Д — максимальной.
С прочностью углей в пластах связаны также внезапные выбросы газа и пыли в шахтах. Установлено, что при прочности угля в пласте свыше 1,96 усл. ед. (по шкале М.М. Протодьяконова) пласт можно отнести к невыбросоопасным.
Петрографический состав влияет на прочностные свойства углей наряду с их трещиноватостью и пористостью.
Трещиноватость углей определяет их дробимость. От нее зависит состав углей по крупности при их добыче, транспортировании и на подготовительных стадиях процессов переработки.
Текстурно-структурные особенности углей влияют не только на выраженность отдельных групп трещин, но и на способность разрушения угля при добыче и технологическом использовании. Чем однороднее уголь, чем реже в нем встречаются фюзеновые прослои, тем труднее он раскалывается по плоскостям наслоения (хотя в ряде случаев имеет аналогичный петрографический состав с полосчатыми углями). Витринитовые полосы, имеющие повышенную хрупкость и трещиноватость, являются ослабленными швами в угле и способствуют его расчленению по наслоению при механических воздействиях. Инертинит создает ослабленные участки в угле лишь тогда, когда он скапливается в отдельных прослоях в виде довольно крупных фрагментов.
Гранулометрический состав добываемых углей зависит и от эндогенной трещиноватости, а она, в свою очередь, от петрографического состава и стадии метаморфизма угля. Наибольшей эндогенной трещиноватостью характеризуются витринитовые угли средних стадий метаморфизма (III—V). При их разработке в добытом угле преобладают куски размером менее 6 мм.
Проявления экзогенной трещиноватости широко развиты в пачках блестящего и полу блестящего углей с большим содержанием витринита. Как правило, в пластах, где, наряду с пачками полуматового и матового, присутствуют пачки блестящего и полублестящего углей, последние оказываются более трещиноваты, а иногда и полностью перемяты, что приводит к повышенному выходу мелких классов угля при выемке.
При прочих равных условиях уголь, находящийся на средних стадиях метаморфизма, имеет более развитую экзогенную трещиноватость, чем на низких и высоких, что обусловлено характером изменения физико-химических свойств углей при метаморфизме. Экзогенная трещиноватость в некоторых случаях сильно влияет на механическую прочность угля. Как уже отмечалось, уголь пачек пласта, интенсивно разбитых экзогенными трещинами, при малейших воздействиях рассыпается в пыль или распадается на мелкие линзовидные кусочки (перемятый уголь).
Для углей, предназначенных к сжиганию в пылевидном состоянии, важное значение имеет их размолоспособность, которая оценивается по затратам энергии на измельчение.
Нередко механическая прочность углей оценивается по их твердости. Минералогическая твердость углей по шкале Mooca изменяется от 1 до 5. Твердость витринита в бурых углях не превышает 2, а в антрацитах достигает 4. Микротвердость отдельных микрокомпонентов колеблется в широких пределах и существенно изменяется при метаморфизме угля. Витринит в бурых углях имеет микротвердость 100—200, в каменных — 300—500, а в антрацитах — до 2000 Н/мм2 (рис. 3.14). Микротвердость липтинита в каменных углях не превышает 250 Н/мм2, а инертинита варьирует от 500 до 1500 Н/мм2.
Склонность углей к окислению и самовозгоранию связана с их вещественным составом. При открытой разработке, в целиках, оставляемых в шахтах, при транспортировании и хранении угли окисляются кислородом воздуха и нередко самовозгораются.
Кроме того, при окислении изменяются технологические свойства углей вплоть до полной потери пригодности их для определенных видов потребления (например, для коксования).
На самовозгорание углей сильно влияет и степень их метаморфизма. В общем случае, чем ниже стадия метаморфизма угля, тем больше его склонность к самовозгоранию.
Исследование петрографического состава углей, различных по стадии метаморфизма и самовозгораемости, показало, что с увеличением содержания в них инертинита склонность угля к самовозгоранию повышается. Возможно, это обусловлено неодинаковыми сорбционными свойствами витринита и инертинита-фюзинита If (рис. 3.15).
Для оценки зависимости пожароопасности шахт от горногеологических факторов Г.Е. Иванченко с соавторами обработали статистические данные об эндогенных пожарах, происходивших на шахтах Карагандинского бассейна. В качестве показателя пожароопасности шахты они использовали частоту пожаров Q в период эксплуатации данной шахты. Было установлено, что из всех рассмотренных факторов наибольшее влияние оказывало содержание фюзинита (инертинита) в угле:
Q1 = H (AF2 + В),
где H — мощность угольного пласта, м; F — содержание фюзинита (инертинита), % объем.; А и В — некоторые постоянные, имеющие для Карагандинского бассейна следующие значения: А = 0,44; В = 0,014.
Пожароопасность угольных пластов несомненно связана со склонностью слагающих их углей к самовозгоранию. Склонность углей к самовозгоранию устанавливается лабораторными испытаниями по методике МакНИИ путем определения газовой характеристики S.
Работы, проведенные Г.Н. Крикуновым в Карагандинском бассейне, позволили установить, что между содержанием инертинита (фюзинита) в углях и газовой характеристикой 5 наблюдается зависимость, описываемая уравнением прямой S = 4,73 + 0,73F.
Петрографический состав углей влияет также на количество поглощаемого кислорода и выделяющихся при окислении угля (при t = 200 °С) CO2 и CO.
- Физические свойства углей
- Химический состав углей
- Петрографический состав углей
- Вещественный состав углей
- Общие сведения о вещественно-качественных показателях твердых горючих ископаемых
- Нарушения угольных пластов
- Условия залегания угольных пластов
- Мощность и выдержанность угольных пластов
- Структура угольных пластов
- Экологические факторы промышленного освоения месторождений полезных ископаемых
Источник