Основи хімії і фізики горючих копалин. Частина ІІ - Посібник (Саранчук В.І., Ільяшов М.О., Ошовський В.В., Білецький В.С.)

12. фізичні властивості вугілля

Під фізичними властивостями твердих тіл розуміють їх специфічну поведінку при впливі певних сил і полів. Існує три основних способи впливу на тверді тіла, від-

 

повідні трьом основним видам енергії: механічний, термічний і електромагнітний. Ві-

дповідно виділяють три основних групи фізичних властивостей.

Механічні властивості пов'язують механічні напруження і деформації тіла, які

відповідно до результатів широких досліджень механічних і реологічних властивостей твердих тіл, виконаних школою академіка П.О. Ребіндера, можна поділити на пружні, міцнісні, реологічні і технологічні. Крім того, при впливі на тверді тіла рідин або газів виявляються їх гідравлічні і газодинамічні властивості.

До термічних відносять властивості, які виявляються у вугіллі під впливом те- плових полів, а до електромагнітних – властивості, які виявляються при впливі на ву- гілля електричних, магнітних полів і електромагнітних коливань. До електромагніт- них властивостей умовно можна віднести радіаційні, котрі виявляються при впливі на вугілля потоків мікрочастинок або електромагнітних хвиль значної жорсткості (рент- генівські, гамма-промені).

Фізичні властивості вугілля зумовлені їх хімічним складом, структурою і над- молекулярною організацією.

12.1. Густина ТГК

Густина – одна з основних характеристик речовини. Чисельно дорівнює масі одиниці об’єму речовини.

Уявною густиною називається густина шматка ТГК з властивою йому вологіс- тю, мінеральними домішками і повітрям, яке знаходиться в його порах.

Дійсною густиною називається густина твердої речовини ТГК, без повітря і не- зв’язаної води, тобто густина власне органічної речовини з мінеральними домішками.

Густиною органічної маси ТГК називають густину речовини ТГК з поправками на вміст у ній вологи, повітря і мінеральних домішок.

 

 
Густина органічної маси ТГК   0 (кг/м3) може бути розрахована за формулою:

 

 
0          100      M         М     ,

100      М         M

 

 

 

 
де M – вміст мінеральних домішок, \%;        – дійсна густина ТГК з мінеральними доміш-

ками, кг/м3;   м – густина мінеральних домішок, кг/м3.

Густина вугілля закономірно змінюється з метаморфізмом. Густина сухого без- зольного вугілля залежить від елементного складу і структури органічної речовини. Встановлена наявність мінімуму на кривій залежності густини вугілля від виходу лет- ких речовин (або вмісту вуглецю) для зразків, які містять 85 – 86\% вуглецю.

У залежності від вмісту вуглецю і водню густину органічної маси вугілля мож- на визначити за наступним рівнянням:

 

 

 

 

 
0          0,234

 

 

 

 

 
0,00291  С

 

 

 
0,0533

 

Н , кг/м3,

 

де С і Н – вміст вуглецю і водню в сухому беззольному вугіллі, \%.

Серед мацералів мінімальну густину має екзиніт, однак вона різко збільшується зі зростанням метаморфізму. Густина вітриніту змінюється у ряду метаморфізму за кри- вою з мінімумом при вмісті вуглецю 85-87\%. Густина мікриніту вища, ніж у вітриніту і

 

змінюється у ряду метаморфізму так само, як у вітриніту. Інертиніт характеризується

максимальною густиною, практично постійною в ряду метаморфізму. Дійсна густина кам'яного вугілля і антрацитів наведена в табл. 2.15 та на рис. 2.3.

 

 
Таблиця 2.15 – Дійсна густина вугілля і антрацитів

 

Марка вугілля

Густина   , г/см3

Вихід летких речовин, мас.\%

Довгополуменеве

Д

1,253 – 1,478

39 – 46

Газове

Г

1,264 – 1,483

33 – 39

Жирне

Ж

1,244 – 1,417

28 – 33

Коксівне

К

1,254 – 1,590

18 – 28

Піснувато-спікливе

ПС

1,242 – 1,532

9 – 18

Пісне

П

1,336 – 1,505

9 – 15

Антрацит

А

1,307 – 1,766

1,5 – 9

Зміна дійсної густини при нагріванні вугілля характеризується параболічною кривою, тобто дійсна густина більш активно росте на початковій стадії нагрівання. Уя- вна густина змінюється за кривою з мінімумом при температурах 500-525°С, що відпо- відає діапазону температур застигання пластичної маси.

 

 

 

 
Подпись: Дійсна густина гумітів, 103 кг/м3Насипна  густина    н   вугілля  – це відношення маси частинок до оди- ниці зайнятого ними об’єму з ураху- ванням об’єму пор і проміжків між частинками. Вона залежить від грану- лометричного складу, форми шматків або частинок, способу їх укладки, во- логості і є змінною величиною. Най- більш істотно на густину впливає во- логість. Зі збільшенням вологості ву-

Вміст вуглецю Сdaf, \%

Рис. 2.3. – Залежність дійсної густини гумітів від вмісту вуглецю

гілля до гігроскопічної його насипна густина росте неактивно, оскільки од- ночасно зі змочуванням відбувається набухання частинок, а коефіцієнт вну-

 

 

 

 
трішнього тертя частинок вугілля майже не змінюється. При подальшому підвищенні вологості вугілля насипна густина меншає внаслідок появи на поверхні частинок во- логи, яка ніби розсуває частинки вугілля, і насипна густина досягає мінімуму, при якому спостерігається найменша рухливість (сипучість) частинок і пов'язане з цим за- висання вугілля в бункерах, течках, на похилах. Подальше збільшення вологості ви- кликає швидке зростання   н, в основному внаслідок зменшення коефіцієнта внутріш- нього тертя частинок, зумовленого появою значних прошарків вологи на їхній поверх- ні. Найбільше значення   н характерне для вугілля з вологістю 0,5 – 2\%, а мінімальне – вологістю 6 – 10\%.

12.2. Фізико-механічні властивості

Основні фізико-механічні властивості вугілля:

а) пружність – здатність відновлювати свої первинні розміри після зняття нава- нтаження;

 

б) пластичність – здатність зберігати деформацію аж до межі текучості після

зняття навантаження;

в) твердість – здатність чинити опір пружним і пластичним деформаціям при

місцевій силовій дії на поверхню тіла;

г) міцність – здатність чинити опір руйнуванню під дією напружень;

ґ) крихкість – здатність руйнуватися без помітного поглинання енергії;

д) дробимість – властивість, що визначається сукупністю твердості, в’язкості і тріщинуватості;

е) тривкість – умовне поняття, яке символізує сукупність механічних властиво- стей і виявляється в різних технологічних процесах при видобутку і переробці вугілля.

Є невелика кількість робіт по визначенню пружних властивостей вугілля, од- нак результати, отримані різними дослідниками при застосуванні статичних і динамі- чних методів, суттєво відрізняються. Наприклад, значення модуля Юнга, отримані статичним методом, менші на порядок, ніж значення, отримані динамічним методом.

Відношення констант пружності для гомогенної пружної речовини, визначе- них статичним і динамічним методами, за законами термодинаміки повинне дорівню- вати відношенню теплоємності при постійних тиску і об'ємі, а оскільки для твердих тіл воно приблизно дорівнює одиниці, то обидва методи мають давати ідентичні ре- зультати. Різниця в значеннях констант пружності в цьому випадку може бути поясне- на наявністю капілярних тріщин, які є в зразку вугілля, і завдяки яким вугілля має бі- льшу деформаційну здатність, ніж слід би чекати за його істинною константою пруж- ності, так що статична константа буде занижена. Для виключення помилок при вимі- рюваннях рекомендується провести їх при великих частотах і отриману при цьому динамічну константу приймати за істинну або визначати модуль пружності одних і тих же зразків різними методами.

Потрібно зазначити, що у всіх випадках спостерігається єдина закономірність зміни пружних властивостей в ряду вуглефікації. У молодого вугілля вона росте, дося- гаючи максимуму у неспікливого кам'яного вугілля, потім різко падає на стадії коксів- ного вугілля, і знов різко зростає у вугілля із вмістом вуглецю понад 90\%. Такий хара- ктер зміни пружних властивостей в ряді вуглефікації свідчить про наявність кількох етапів в зміні структури і надмолекулярної організації вугілля. Детально взаємозв'язок між пружністю, структурою і надмолекулярною організацією вугілля буде розглянуто нижче.

Зміна пластичності вугілля в ряді вуглефікації зворотно пропорціональна зміні

пружності. Крихкі речовини, до яких можна віднести вугілля, схильні до пластичної деформації без руйнування при великому ізотропному тиску і анізотропних напру- женнях.

Існує велика кількість методів і показників, що характеризують твердість вугілля, його опір деформаціям. Найбільший інтерес становить вимірювання мікротвердості ви- значенням твердості малих поверхонь, що дуже важливо при дослідженні неоднорідного вугілля. Визначаючи мікротвердість методом вдавлювання, можна також отримати плас- тичні відбитки, уникаючи їх розтріскування. Для вимірювання мікротвердості рекомендо- ваний метод за ГОСТ 21206-75.

 

Результати досліджень за цим методом показали, що крихка речовина вітрену

більш тверда, ніж крихкий і більш неоднорідний дюрен. Буре вугілля має найменшу мікротвердість, яка росте по мірі вуглефікації від 60 МПа у підмосковного вугілля до

166 МПа у блискучого челябінського вугілля. Серед кам'яного вугілля найменшу мік- ротвердість має довгополуменеве вугілля (140-180 МПа), у газового вугілля вона помі- тно росте. Мікротвердість вугілля марок Ж, К, ПС приблизно однакова, а при переході до пісного вугілля і антрацитів вона різко підвищується, складаючи в середньому у перевірених зразків антрацитів 900 МПа.

Мікротвердість вітриніту в ряду від бурого вугілля до антрацитів зростає в

5 разів, причому найбільше вона росте на стадії пісне вугілля – антрацит.

У мікрокомпонентів групи інертиніту мікротвердість в ряду вуглефікації змі- нюється менше, але на одній стадії вуглефікації може змінюватися в межах від 300 до

800 МПа. Компоненти групи екзиніту мають невелику мікротвердість, яка коливається

від 130 до 240 МПа.

На кривій зміни мікротвердості в ряду вуглефікації є максимум при вмісті вуг- лецю 84\% і мінімум при вмісті вуглецю 90\%, тобто вони відповідають аналогічним перегинам на кривій зміни констант пружності. Антрацити із вмістом вуглецю близь- ко 93\% наділені властивостями ідеальних пластиків.

Для підвищення точності і надійності при визначенні мікротвердості застосо- вується метод склерометрії – вивчення ширини смуги деформації при дряпанні повер- хні індентором, що переміщується. Переваги цього методу полягають у підвищенні точності і надійності при вимірюванні лінійних розмірів деформованої зони, а також можливості використання індентора з ромбічною основою як для вивчення мікротве- рдості, так і її анізотропії.

Міцність з практичної точки зору є найбільш важливою фізико-механічною властивістю вугілля, бо вона характеризує руйнування при видобуванні, транспорту- ванні, дробимість при технологічному подрібненні і пилоутворювальну здатність. Міцність визначається різними методами за результатами випробування вугілля в різ- них пристроях для дроблення (подрібнення). За рубежем найбільш відомі «випробу- вання на здатність до подрібнення кульовим млином» і метод Хардгрове, які прийняті як стандартні. У цих методах застосовується млин для тонкого подрібнення з регульо- ваною швидкістю обертання. Міцність мінімальна при вмісті вуглецю 89-90\%. Як вка- зувалося вище, в цьому ж діапазоні вугілля має мінімальне значення мікротвердості.

При вивченні вугілля Донбасу встановлено, що міцність, визначена за методом

копра, змінюється з мінімумом в зоні коксівного вугілля. При переході від вугілля, що спікається, до пісного і антрацитів міцність зростає майже в 13 разів. Коливання міц- ності ізометаморфного вугілля значні, що пояснюється впливом генетичних чинників. Так, у пісного вугілля і антрацитів велика механічна міцність відповідає маловіднов- леному вугіллю.

Дослідження міцності окремих петрографічних інгредієнтів показало, що най- міцнішим є напівматове щільне вугілля дюренового типу. Менша міцність напівмато- вого зернистого вугілля пов'язана з менш однорідною будовою. Значно менш міцним виявилося блискуче вугілля, складене вітреном і клареном, що пояснюється крихкістю його блискучих інгредієнтів.

 

При визначенні опору розтисканню встановлено, що більш міцним є матове

дюренове вугілля. Фюзен має найбільшу крихкість, кларен і вітрен займають проміж- не положення.

Крихкість визначається здатністю твердих тіл руйнуватися при статичному на- вантаженні без помітної залишкової деформації (не більше 5\%). Мікрокрихкість вугіл- ля визначається за величиною глибини занурення індикатора в зразок вугілля, при якій не настає крихке руйнування. Для антрацитів показник мікрокрихкості зміню- ється від 0,5 до 1,05 мкм -1.

Таким чином, зміна механічних властивостей вугілля в ряді вуглефікації пов'я- зана з його структурними особливостями, молекулярною і надмолекулярною органі- зацією.

12.3. Теплофізичні властивості

До показників, що характеризують теплофізичні властивості твердих тіл, нале- жать теплопровідність, теплоємність, термічне розширення. Ці властивості вугілля до- сить детально вивчені.

Основні термічні коефіцієнти – теплопровідності, температуропровідності і теплоємності – пов'язані між собою рівнянням:

a          ,

c

де  а  –  коефіцієнт  температуропровідності,  м2/с;  –  коефіцієнт  теплопровідності, Дж/(с∙К∙м); с – питома теплоємність матеріалу, Дж/(кг∙К); ρ – густина матеріалу, кг/м3.

Вугілля і гірські породи за своїми тепловими властивостями наближаються до теплоізоляторів і являють собою неоднорідні тіла, що складаються з твердих інгредіє- нтів, рідинних прошарків і повітряних комірок. Коефіцієнт теплопровідності таких матеріалів є умовною величиною й іноді називається видимим коефіцієнтом теплоп- ровідності.

 

 
Величина коефіцієнта теплопровідності вугілля визначається теплопровідністю власне вугільної речовини (  ), її пористістю (Р), зольністю (А), вологістю (W) і темпе- ратурою системи (Т).

 

 
Температурний коефіцієнт для вугілля позитивний, а зростання    із збільшен- ням температури відбувається або за лінійним, або, при підвищених температурах, за квадратичним законом. Збільшення коефіцієнта теплопровідності вугілля і горючих сланців із зростанням температури пояснюється значною мірою сильним впливом променевого теплообміну і конвекції між поверхнями пор палива через газові комірки, що їх розділяють.

Приймаючи, що в певних інтервалах температур існує лінійна залежність кое- фіцієнта теплопровідності, можна записати

 

t           0  1

1

 

t           t0     ,

де        , 1/град.

t

 

Встановлено, що для вугілля різного ступеня метаморфізму в інтервалі темпе-

 

 

 

 
ратур від 20 до 100°С існує лінійна залежність    від температури і   =0,002 1/град.

Можна прийняти наступне середнє значення температурного коефіцієнта теп-

 

 
лопровідності для різних інтервалів температур:

 

Інтервал температур,  С

0 -100

100 -300

300 -1000

0 -1000

Температурний

коефіцієнт   ,

1/град.

Для засипок

0,002

0,0003

0,0010

0,0009

Для ціликів

0,002

0,0003

0,0016

0,0014

 

 

 
Зростання коефіцієнта температуропровідності вугілля в інтервалі температур

0-200°С незначне, оскільки одночасно із збільшенням теплопровідності зростає і теп-

лоємність вугілля. Збільшення коефіцієнта температуропровідності після 250-300°С пояснюється одночасним впливом збільшення коефіцієнта теплопровідності, змен- шенням теплоємності і густини внаслідок збільшення пористості в процесі виділення летких.

 

 
Найменші значення теплопровідності і температуропровідності в ряді мета- морфізму мають жирне і коксівне вугілля. Значення     і а збільшуються при переході до газового вугілля, з одного боку, до пісного вугілля і антрацитів – з іншого. Темпера- туропровідність вугілля змінюється в ряді метаморфізму в значно меншій мірі, ніж теплопровідність.

 

 

 

 
При нормальних температурах теплопровідність вугілля змінюється від 0,10 до

0,13 Дж/(м∙с∙град.), а температуропровідність від 1,0 10-4 до 1,8 10-4 м2/с.

 

 
Теплопровідність вугілля підвищується із збільшенням виходу летких речовин Vdaf  і густини. Коефіцієнт теплопровідності вугілля різко збільшується з підвищенням вологості вугілля. У кам'яного вугілля при вологості 10\% він зростає в 2,0-2,5 рази, у бурого вугілля таке зростання    досягається при Wp=20-25\%.

Залежність теплопровідності від пористості дуже складна. Нижньою межею те- плопровідності пористого матеріалу є 0,02 Дж/(м∙с∙град.), що дорівнює теплопровід- ності повітря.

Чим більший загальний об'єм пор і чим менші їх розміри, тобто чим дрібніші пори, тим нижчий повинен бути коефіцієнт теплопровідності при тій же насипній гу- стині. Температуропровідність вугілля зменшується із зростанням насипної ваги.

Теплопровідність вугільних ціликів набагато вища, ніж теплопровідність дроб- леного вугілля. Гранулометричний склад дробленого вугілля впливає на його теплоп- ровідність переважно тому, що при зміні його міри дроблення одночасно змінюється насипна густина.

Оскільки теплопровідність мінеральних компонентів вугілля значно вища за теплопровідність органічної маси, можна передбачити, що коефіцієнт теплопровідно- сті вугілля повинен збільшуватися із зростанням його зольності.

Встановлено, що теплопровідність вугілля вздовж нашарування на 3-7\% вища, ніж перпендикулярно нашаруванню. Теплоємність матеріалу визначається кількістю тепла, необхідного для підняття температури 1 г даного тіла з t1 до t2. Вона характери- зується питомою теплоємністю тіла:

 

m

 
с          q          ,

t 2        t1

де cm – середня питома теплоємність Дж/(кг∙К); q – кількість тепла, необхідна для під- вищення температури тіла від t1 до t2, Дж/кг.

Якщо кількість тепла q, необхідна для нагрівання тіла від t1 до t2 не залежить від

температури, то величина cm

постійна. Однак у більшості випадків q залежить від те-

 

 

 

 
мператури, і ця залежність може бути представлена наступною емпіричною форму- лою:

 

 
q          at

bt 2      ct 3 ,

 

звідси

c          dq

и          dt

 

 

 

 

 
a          2bt

 

 

 
3ct 2 ,

де си – дійсна питома теплоємність тіла.

Для визначення теплоємності твердих тіл застосовується ряд способів, які мо- жна поділити на три групи:

а) метод змішування;

б) методи, основані на вимірюванні швидкості нагрівання або охолоджування;

в) методи прямого визначення істинної теплоємності.

Згідно з теоретичними передумовами, питома теплоємність вугілля повинна меншати в ряді вуглефікації, якщо врахувати, що водень і вуглеводні мають більшу теплоємність, ніж графіт, до структури якого наближується вугілля при підвищенні ступеня метаморфізму.

Наприклад, теплоємність водню – 2,30, метану – 2,30, ацетилену – 1,63 і графіту

– 0,84 кДж/(кг∙град.). Залежність середньої питомої теплоємності вугілля при однако-

 

 
вій температурі від виходу летких речовин можна прийняти лінійною і виразити рів- нянням:

 

 
ct         A

BV daf

, кДж/кг∙град,

де: сt – питома теплоємність вугілля при температурі t, °С; А і В – емпіричні коефіцієн- ти. В інтервалі температур 0 -100°С  А = 0,900 -1,025; В = 0,034 - 0,050.

 

 
Істинною питомою теплоємністю (далі просто теплоємністю) називається кіль- кість теплоти, яку необхідно дати одиниці маси речовини, щоб підвищити її темпера- туру на 1°С в певному температурному інтервалі; вимірюється вона в Дж/(кг К). Для вимірювання теплоємності вугілля застосовуються спеціальні калориметри, що дозво- ляють проводити визначення при різних температурах.

 

 
Істинна           питома            теплоємність  абсолютно      сухого торфу  складає           1,96 –

2 кДж/(кг К). Вона залежить від типу торфу і ступеня його розкладу, проте залежить від

його вологості, збільшуючись з її зростанням. В метаморфічному ряді гумітів теплоєм- ність вугілля закономірно зменшується.

Петрографічні мікрокомпоненти гумітів володіють різною теплоємністю. Теп- лоємність вугілля лінійно зростає із збільшенням його вологості, оскільки як вільна, так і зв'язана волога мають значно більшу теплоємність, ніж органічна маса вугілля. Мі- неральні компоненти, що містяться в ТГК, знижують теплоємність. Слід відрізняти іс- тинну (рівноважну) і ефективну (уявну) теплоємність.

 

Теоретичний аналіз і обробка експериментальних даних дозволили встановити

закономірність зміни теплоємності вугілля залежно від температури. В інтервалі тем- ператур від 0 до 250-300°С питома теплоємність вугілля зростає і, досягнувши макси- муму при 270-350°С, вона меншає при подальшому підвищенні температури, набли- жаючись при 1000°С до теплоємності графіту.

Величини теплоємності вугілля Донбасу, отримані В. В. Померанцевим розра-

хунковим шляхом, наведені в табл. 2.16. Автор не проводив досліджень в діапазоні те- мператур 0-300°С, тому з отриманих результатів випало збільшення теплоємності з те- мпературою в цьому інтервалі (табл. 2.17).

Мінеральні домішки дещо знижують питому теплоємність вугілля, оскільки вони

мають питому теплоємність с24-100=0,80-0,84 кДж/(кг∙К), однак при зольності вугілля до

12\% це зниження невелике (1-2\%). Потрібно відмітити значне зростання (майже в 2 рази)

теплоємності мінеральних включень в інтервалі температур 20-1000°С.

Таблиця 2.16 – Істинна питома теплоємність вугілля, кДж/(кг∙К)

 

Досліджувані матеріали

Теплоємність, кДж/(кг∙К)

Буре вугілля

1,12-1,19

Кам'яне вугілля Донбасу

Довгополуменеве

1,15

Газове

1,1З

Жирне

1,09

Коксівне

1,07

Піснувато-спікливе

1,05

Антрацит

0,93

 

 

 
Таблиця 2.17 – Теплоємність вугілля Донбасу, кДж/(кг∙К)

 

 

Температура,  С

Марка вугілля

Д

Ж

П

А

20

1,38

1,38

1,26

1,05

300

1,34

1,38

1,22

1,05

500

1,12

1,26

-

1,05

700

1,05

1,17

1,01

0,97

900

0,97

0,92

-

0,92

1000

0,86

0,86

0,92

0,86

Теплоємність коксу, отриманого з різного вугілля, мало коливається і стано- вить c25-100=0,837-0,840 кДж/(кг∙К). Зі зростанням температури теплоємність коксу рос- те, причому темп приросту рівний 0,0021 кДж/(кг∙К) в інтервалі температур 50-475°С.

Коефіцієнт термічного розширення характеризує деформацію матеріалу під ді- єю температури, яка пов'язана із зміною середніх відстаней між молекулами. У зв'язку з цим потрібно чекати, що він буде змінюватися в широких межах в ряді вуглефікації приблизно таким же чином, як і константи пружності.

Встановлено зниження коефіцієнта термічного розширення в ряді вуглефікації і анізотропний ефект при дослідженні теплового розширення вздовж і перпендикуля- рно нашарування, що з'являється у вугіллі із вмістом вуглецю 85\% і зростає у антраци- тів. Цей ефект виникає під впливом мікропористої системи у вугіллі, яка стає все більш анізотропною завдяки зростанню і орієнтації ароматичних ламелів.

 

12.4. Електромагнітні властивості

У літературі широко розглянуті закономірності зміни електроопору, електри- зації, діелектричної проникності вугілля, а також результати дослідження вугілля ме- тодами електронного парамагнітного резонансу (ЕПР) і ядерного магнітного резонан- су (ЯМР).

Електризація твердих матеріалів може бути зумовлена електричними полями,

механічними, фізичними і хімічними процесами. Аналізуючи дані природної електро- зарядженості подрібненого вугілля, потрібно зазначити, що вугілля при подрібненні заряджається біполярно і асиметрично.

Вивчення   електризації   вугілля   при   його   дробленні   і   розпилюванні   на

170 основних  шахтопластах  Донецького,  Кузнецького  і  Карагандинського  басейнів, представлених всіма марками кам'яного вугілля від Д до А, з природною вологістю

0,2-9,9\%, зольністю 1,1-55,5\% і виходом летких речовин 2,5-41,9\%, дозволило всебічно

вивчити залежність електрофізичних властивостей від фізико-хімічних параметрів ву- гілля. Електрозарядженість зростає із збільшенням дисперсності вугільних зерен, що пояснюється підвищенням питомої поверхні електрично заряджених частинок. Збіль- шення вмісту мінеральних домішок у вугіллі приводить до зменшення зарядженості потоку аерозолю. Зростання числа парамагнітних центрів пропорційне підвищенню заряду на поверхні вугілля, що добре показано на прикладі жирного вугілля Донбасу. Вплив окисненості вугілля неоднозначний і залежить від ступеня вуглефікації.

Залежність питомої напруженості електричного поля вугільного пилу від сту- пеня вуглефікації носить параболічний характер з максимумом для вугілля середнього ступеня вуглефікації, який відповідає вмісту вуглецю 90\%. Як вказувалося вище, таке вугілля має мінімальний показник мікротвердості за Віккергом і максимальний показ- ник здатності до подрібнення за Хардгрове. Це свідчить про те, що електризація пове- рхні частинок вугілля при руйнуванні є функцією їх структури. Диспергування вугіл- ля приводить до виникнення потоку емісії електронів високої енергії (ЕЕВЕ), парамет- ри якої залежать від структурних особливостей вугілля, що руйнується. Максимальні значення потоку ЕЕВЕ відповідають також вугіллю середнього ступеня вуглефікації, причому для вугілля марок Ж і К характерна також "післяемісія" (емісія після припи- нення механічного впливу), тривалість якої становить 1-4 хв. Зміна потоку ЕЕВЕ в ряді вуглефікації корелює з електризацією частинок для вугілля Донецького басейну. Оскільки електрони мають негативний заряд, то їх інтенсивна емісія з поверхні вугіл- ля при диспергуванні пояснює позитивну електрозарядженість вугільних частинок.

Останнім часом робляться спроби використати електрофізичні властивості ву- гілля для їх генетичної промислової класифікації.

Як вказувалося вище, відновленість вугілля визначають непрямими хімічними, фізичними і петрографічними методами. Запропоновано прямий електрохімічний ме- тод, основу якого складають вимірювання масштабів реакцій окиснення і відновлення органічної маси вугілля реагентами, що утворюються при пропущенні постійного еле- ктричного струму через електрохімічний осередок, заповнений пробою, що досліджу- ється, змочений електролітом, а також реакцій окиснення і відновлення, що протіка- ють за рахунок електронного обміну на електродах у разі молодого кам'яного вугілля.

 

Методичною основою для такого підходу є те, що (починаючи з газового вугіл-

ля, яке добре спікається, кінчаючи пісним) відновлене вугілля має більшу реакційну здатність по відношенню до окиснюючих агентів, ніж маловідновлене, а довгополу- меневе і молоде газове відновлене вугілля мають знижену окиснюваність молекуляр- ним киснем внаслідок меншого вмісту в них кисеньвмісних функціональних груп в порівнянні з маловідновленим.

Для розподілення антрацитів на групи рекомендований показник критичної напруженості електричного поля Ек, який визначається зняттям вольт-амперної харак- теристики антрацитів на зразках-монолітах. У поєднанні з показниками ступеня вуг- лефікації антрацитів, він дозволяє виділяти антрацити, придатні для виробництва термографіту з унікальними електричними і антифрикційними властивостями.

Між металами (провідниками) з провідністю 104-105 Ом-1∙см-1 і діелектриками з провідністю 10-10-10-15Ом-1∙см-1 знаходиться великий клас напівпровідників з провідні- стю 10-2-10-10Ом-1 ∙ см-1. До останніх належить оксиди, сульфіди, селеніди, до них же можна віднести антрацит, буре і кам'яне вугілля, горючі сланці.

На зміну електричного опору найбільше впливає температура. При зміні тем- ператури від 0 до 900°С питомий опір вугілля звичайно змінюється від 109-1012 Ом · см до 10 Ом · см.

При температурі від 0 до 200°С опір кам'яного вугілля знижується поступово, опір бурого вугілля і горючих сланців від 0 до 50-100°С різко знижується, а потім до

200°С збільшується. Цей перегин кривої зумовлений наявністю в останніх великої кі- лькості вологи, яка до 50-100°С сприяє збільшенню електропровідності. При більш ви- соких температурах по мірі видалення вологи опір зростає, досягаючи найбільшого значення при температурі близько 200°С. друга ділянка від 200 до 800°С характеризу- ється найбільш різким зниженням опору, що змінюється у прямолінійній залежності.

 

 
У інтервалі температур 200-800°С залежність питомого опору різного вугілля від температури описується рівнянням:

 

 
lg          a

bt ,

 

 

 

 
де        – питомий електричний опір при температурі t°С, Ом∙см; t – температура, °С; а і b

 

 

 

 

 

 
– постійні величини, що залежать від матеріалу, що досліджується: а=11,2   12,4; b =

1,29 10-2         1,24 10-2.

Нарешті, на третій ділянці, при температурі понад 800°С, опір дещо падає.

 

 

 

 
Волога, що міститься у вугіллі, знижує його опір різною мірою в залежності від її кількості, наявності в ній мінеральних домішок і їх хімічного складу. Опір чистої води рівний приблизно 107 Ом см, тобто значно нижчий за опір сухого вугілля і горю- чих сланців (109-1010 Ом см), тому присутність навіть чистої води впливає відчутним чином, а наявність у воді мінеральних домішок ще суттєвіше впливає на зниження електроопору.

Електроопір вологого бурого вугілля при кімнатній температурі становить 104-

 

 

 

 
106 Ом см, а сухого від 109 до 1011 Ом см, вологість кам'яного вугілля дуже мало впливає на величину питомого опору.

Питомий електроопір підвищується з переходом від бурого до кам'яного вугіл-

ля і досягає максимуму на середній стадії вуглефікації (Сdaf  =87\%), а потім меншає із

 

 

 
зростанням ступеня метаморфізму, складаючи у антрацитів 102-103 Ом см.

Серед  мацералів  максимальний  опір  має  вітриніт,  мінімальний  –  фюзиніт.

Окиснення вугілля приводить до значного зниження його опору при температурах до

100°С, коефіцієнт анізотропії кам'яного вугілля становить 1,73-2,55, антрациту 2,00-

2,55. Нечисленні досліди показали, що опір цілика і порошку вугілля практично спів- падають. Питомий електричний опір зростає із збільшенням зольності.