12. фізичні властивості вугілляПід 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.
100 М M
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:
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.
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.
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-
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.
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-
Можна прийняти наступне середнє значення температурного коефіцієнта теп-
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.
0,13 Дж/(м∙с∙град.), а температуропровідність від 1,0 10-4 до 1,8 10-4 м2/с.
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:
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-
bt 2 ct 3 ,
звідси c dq и dt
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-
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.
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)
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.
bt ,
1,29 10-2 1,24 10-2. Нарешті, на третій ділянці, при температурі понад 800°С, опір дещо падає.
Електроопір вологого бурого вугілля при кімнатній температурі становить 104-
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
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. |
| Оглавление| |