Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова (технический университет) Р.А.ТАКРАНОВ, А.Н.ШЕРЕМЕТ, Н.В.ЛАГАЙ ОПЕРАТИВНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА И СВОЙСТВ УГЛЯ В МАРКШЕЙДЕРСКОГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ Учебное пособие САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2005 УДК 622.14; 550.8 (075.80) ББК 33.12 Т150 В пособии изложены общие сведения о геолого-промышленных и потребительских свойствах и показателях качества угля, которые используют при решении задач маркшейдерско-геологического обеспечения эксплуатации и разведки угольных месторождений и которые особенно необходимы для подсчета запасов, учета потерь и разубоживания, для определения количества и качества добытого угля. Рассматриваются методы изучения показателей качества и свойств, в том числе связанных с технологией горных работ; особо отмечены экспресс-методы и оперативная оценка показателей. Описаны закономерности проявления и парагенетические связи показателей свойств и качества; даны математические характеристики изученных зависимостей. Приведены рекомендации по оперативной оценке, в первую очередь, аналитическим и графическим способами наиболее востребованных показателей. Учебное пособие предназначено для студентов специальности 090100 «Маркшейдерское дело» и слушателей курсов повышения квалификации маркшейдерской и геологической специальностей. Пособие написано Р.А.Такрановым, в обработке части исходных материалов участвовали А.Н.Шеремет и Н.В.Лагай. Рецензенты: заместитель генерального директора по научной работе канд. техн. наук С.П.Смирнов, заведующий сектором охраны недр канд. техн. наук И.П.Иванов (ВНИМИ); начальник отдела по надзору за охраной недр и геологомаркшейдерскому контролю Л.П.Павлова (Управление Северо-Западного округа Госгортехнадзора РФ). Такранов Р.А. Т150. Оперативное определение показателей качества и свойств угля в маркшейдерско-геологической практике: Учеб. пособие / Р.А.Такранов, А.Н.Шеремет, Н.В.Лагай. Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 2005. 75 с. ISBN 5-94211-209-6 УДК 622.14; 550.8 (075.80) ББК 33.12 ISBN 5-94211-209-6 2 Санкт-Петербургский горный институт им. Г.В.Плеханова, 2005 г. Введение Эффективная и малоотходная разработка угольных месторождений базируется на управлении запасами на основе систематического их подсчета, учета потерь и достоверных данных о количестве и качестве добытого угля. При решении этих задач используется информация о свойствах и качестве угля и пород, слагающих эксплуатируемые пласты. Для управления качеством и количеством добычи при отработке сложноструктурных пластов путем селективной выемки и шихтовки угольной массы необходимо оперативно определять показатели качества и свойств как всего угольного пласта, так и его составляющих, не проводя трудоемких и длительных работ по опробованию и лабораторному анализу. Оперативное определение свойств угля и пород возникает при геолого-информационном обеспечении буровзрывных работ на добычных уступах угольных карьеров. Косвенная и оперативная оценка ряда геолого-промышленных показателей возникает при разведке, когда из-за низкого выхода угольного керна и небольшого его диаметра не хватает материала для полного лабораторного анализа качества и свойств и всесторонней промышленной оценки угля и месторождения. Определение таких показателей, как выход летучих и плотность, а с этим и марочного состава, позволяет уточнить границы распространения разных углей и соответствующих запасов. Следовательно, в системе маркшейдерского и геологического обеспечения эксплуатации и разведки необходимо иметь оперативную, достоверную и точную информацию о показателях свойств и качества. Актуально также совершенствование способов и средств определения этих данных. 3 Свойства и качество угля как сырья для многих отраслей промышленности, сельского и коммунального хозяйства оцениваются большой номенклатурой показателей. Показатели промышленно-потребительских свойств угля являются квалиметрическими характеристиками сырья и продукции угледобывающих предприятий, а также полезного ископаемого в недрах и определяются в соответствии с требованиями стандартов и технических требований (условий). Квалиметрия (от лат. gualis – качество) – научно-прикладная отрасль, посвященная изучению и оценке качества и свойств продукции, материалов, сырья, производства и т.д. Научным советом по проблемам горных наук РАН (1997) это понятие рекомендовано использовать в связи с формированием на базе геометрии недр самостоятельной научно-прикладной дисциплины – квалиметрии недр. В учебном пособии рассмотрены общие положения о составе и промышленно-потребительских свойствах угля, характеризующих его качество, а также о методах их изучения. Подробно описаны парагенетические связи показателей свойств и качества, а также результаты корреляционного анализа этих связей. Даны рекомендации по использованию установленных зависимостей для оперативной оценки показателей, необходимых для решения маркшейдерскогеологических задач по определению добычи, управлению запасами, учету потерь и т.п. 4 1. ПРОМЫШЛЕННО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СВОЙСТВ И КАЧЕСТВА УГЛЯ 1.1. Промышленно-потребительские свойства Промышленно-потребительские свойства, качество угля характеризуются номенклатурой показателей, регламентируемых стандартами в зависимости от использования углей конкретных бассейнов и районов. Показатели свойств изучают и оценивают с учетом состояния угля и способа проведения анализа, что обозначается буквенными символами и индексами. Состояние угля отражается значениями следующих показателей: – рабочее (индекс r) учитывает общую влагу и зольность добываемого, отгружаемого или используемого угля (рабочее топливо); – аналитическое (индекс «а») характеризует состояние угля, подготовленного для лабораторного анализа (иногда употребляется индекс «л» – лабораторная проба); – сухое (индекс d) – без общей влаги; – сухое беззольное (индекс daf ) – без общей влаги и золы (равнозначно термину горючая масса с индексом «г»); – влажное беззольное (индекс af ) – c общей влагой без золы; – органической массы угля (индекс «о») – без влаги и минеральных примесей. Номенклатура и методы определения основных квалиметрических характеристик угля регламентируются ГОСТами: зольность Ad (ГОСТ 11022-95); влажность W (ГОСТ 27314-91; ГОСТ 11014-81); теплота сгорания Q (ГОСТ 147-95); плотность d() (ГОСТ 2160-92); выход летучих веществ Vdaf (ГОСТ 6382-91); содержание серы S td (ГОСТ 8606-94); показатели спекаемости и коксуемости y, RJ и др. (ГОСТ 1186-87, ГОСТ 9318-91, ГОСТ 16126-90 и др.); обогатимость (ГОСТ 10100-84); петрографический, марочный и элементный состав (ГОСТ 9414-94, ГОСТ 25543-88, ГОСТ 6382-91, ГОСТ 6382-81); состав и свойства золы, содержание фосфора, редких элементов и др. Для характеристики метаноносности и водостойкости определяется пористость, трещиноватость, сорбционность, что позволяет оценить 5 проницаемость и пустотные (емкостные) свойства угля. Квалиметрическими характеристиками являются сортность угля по размеру кусков (ГОСТ 19242-73), которая обусловлена природной блочностью в целике и кусковатостью отбитого угля, склонность к самовозгоранию, выбросо- и удароопасность угольных пластов. Квалиметрический смысл содержат показатели геотехнологических и геомеханических свойств: абразивность, буримость, взрываемость, дробимость, сопротивляемость резанию и экскавации, а также прочностные, упругие и хрупкопластичные свойства. Отмеченные показатели характеризуют промышленные свойства угля и особенности его использования в качестве сырья. Зольность – важный показатель промышленного использования угля, ибо зола является балластом, замедляющим процесс горения и осложняющим технологию сжигания и обслуживания топок. Увеличенное количество золы за счет породы, минеральных агрегатов и зерен требует специальной обработки – обогащения угля. Пластовая зольность отражает зольность угольных пачек и породных прослоев в пределах вынимаемой мощности пласта; эксплуатационная зольность характеризует зольность угольной массы, содержащей вмещающие породы, вовлеченные в добычу при эксплуатации угольного пласта. Свойства золы во многом определяются ее составом при преобладании оксидов алюминия, кремния, железа, кальция, глинистого и другого материала. Глинистые компоненты затрудняют горение, а повышенное количество соединений натрия и кальция приводит к увеличению шлакования и коррозии топок и котлов. Алюмосиликатный состав золы коксующихся углей требует дополнительного количества флюсового материала, в то же время оксиды железа, магния, кальция улучшают качество металлургического кокса. Температура плавления, шлакуемость, абразивность золы определяют технологию использования угля и золы как дополнительного сырья. Температура плавления зависит от кремнистого модуля – соотношения количества SiO2 и Al2O3. Влажность характеризуется относительным количеством воды, теряемой при разных видах высушивания до получения постоянной массы. В отличие от других показателей качества 6 и свойств влажность зависит от условий опробования и методов определения. Повышенная влажность снижает теплотворную способность угля, осложняет технологию подготовки, переработки и обогащения, удорожает перевозку угля, так как вода является балластом. Внешняя и свободная вода на кусках обуславливает слеживаемость угольной массы в штабелях и бункерах, а также слипаемость угольной мелочи. Высоковлажные бурые угли нуждаются в брикетировании с отжатием влаги. Рабочая влажность является классификационным критерием промышленной ценности бурых углей. При характеристике промышленных свойств углей различают несколько видов влажности (W). Свободная (поверхностная, избыточная) влага стекает с внешней поверхности кусков и вызвана переувлажнением и недостаточным дренированием разрабатываемого пласта. Влага внешняя (Wex) теряется при воздушно-сухом состоянии угля. Внутренняя влага (Wh) остается в угле после высушивания в воздушно-сухих условиях (влага воздушно-сухого угля). Общая влага состоит из внешней и внутренней влаги: Wt = Wex + Wh. Максимальная влагоемкость Wmax характеризует влажность полностью водонасыщенного угля (без учета свободной, поверхностной влаги) и зависит от петрографического состава, пористости и метаморфизма угля. В каменных углях и антрацидах влажность Wmax соответствует естественной влажности в массиве W e и считается влажностью угля в рабочем состоянии Wt r . Последняя характеризует влажность угля, отгружаемого потребителю, и является важной характеристикой теплотехнических свойств. Влажность аналитическая W a (лабораторная) определяется количеством влаги в анализируемой воздушно-сухой пробе. Выход летучих веществ – это относительное количество газов и пара, образующихся при разложении угля от нагревания без доступа воздуха. Летучие представлены газами СO, СО2, Н2, углеводородами, сернистым газом, паром и др. Количество и состав летучих веществ зависит от петрографического состава, степени углефикации и первичной восстановленности, от количества и состава минеральных примесей. Последние (особенно карбонаты, сульфиды) при термическом воздействии разлагаются и выделяют углекислоту, сернистый газ, пар и другие газообразные продукты, которые иска7 жают газовые составляющие органической массы. Поэтому для классификации и сравнительного анализа испытанию подвергаются пробы с Ad 10 %. Выход летучих V daf , рассчитанный на горючую массу, является основным классификационным параметром ископаемых углей по маркам и используется для оценки степени метаморфизма. В бурых углях выход летучих составляет 67-40 %, в антрацитах – 1-2 %. Особенно детально дифференцируются каменные гумусовые угли с V daf = 3514 %. Для углей марки Б, Д, Г выход летучих во многом определяется составом угля, особенно содержанием лейптинита, а также степенью первичной восстановленности. Колебания составляют 5-10 %. Высокий выход летучих (60-75 %) характерен для сапропелевых углей, наименьший – для фюзенитовых разностей. Более восстановленные угли всех степеней метаморфизма отличаются повышенным выходом летучих. В каменном угле при V daf = 469 % количество летучих рассчитывается в процентах относительно массы навески, при V daf = 91,5 % – по объему в кубических сантиметрах на грамм. Для высокометаморфизованных углей имеют место следующие соотношения: Марка V daf, % Т 8-7 ПА 7-5 5 А V daf, см3/г 275 275-225 225 После возгона летучих веществ остается небольшое количество органического материала и золы (для спекающихся углей – кокса). По составу и свойствам этого остатка определяется качество угля как сырья для химико-технологического производства. Теплота сгорания является основным показателем теплотехнических свойств и классификационным критерием углей невысокой степени углефикации, которые служат главным энергетическим сырьем. Теплота сгорания зависит от петрографического состава и особенно от степени метаморфизма, определяемой изменением содержания С и Н. Например, донецкие угли характеризуются следующими значениями теплоты сгорания, ккал/кг: 8 Марка Д Г Ж К, ОС Т А Q, ккал/кг 7600-8100 7900-8300 8300-8700 8400-8700 8300-8700 8100-8400 Свойства углей спекаться и образовывать кокс характеризуют важное качество угольного сырья для металлургического производства. Показатели спекаемости: индексы Рога RJ и свободного вспучивания SJ; показатели пластометрических свойств: толщина пластического слоя y, усадка высоты навески х; показатель коксуемости – индекс Грей-Кинга (тип кокса) CK. Химико-физический процесс образования кокса при термической деструкции наиболее полно проявляется в углях средней степени метаморфизма (марки Ж-К) и углях витрен-кларенового состава. При увеличении фюзинитовых компонентов (отощающих ОК) спекаемость угля снижается. Способность спекаться отрицательно сказывается при переработке угля путем полукоксования для получения горючих газов, синтетических продуктов – масел, эфиров, адсорбентов. Из бурых углей экстрагируют смолу, воск, битумы, гуминовую кислоту, которые применяют во многих отраслях промышленного производства. Наилучшие способности к полукоксованию имеют бурые и слабометаморфизованные угли. Элементный состав (содержание C, H, O, N) является обобщающей комплексной углехимической характеристикой угля как промышленного сырья, она отражает геолого-генетические условия углеобразования. Количество углерода характеризует степень углефикации и изменяется от 55-60 % в бурых углях до 98 % в антрацитовых. В ряде классификаций это положение используется при выделении стадий метаморфизма. При прочих равных условиях повышенное содержание углерода свойственно углям, в которых преобладают фюзенизированные компоненты. Природный тип (класс) угля: гумусовый и сапропелевый – характеризуется разным содержанием водорода. Повышенное количество азота свойственно липтобиолитовым разностям. Увеличение содержания азота повышает битуминозность углей. Отрицательное влияние на промышленную ценность угля оказывает сера, мышьяк, хлор, фосфор. Последний, например, в металлургическом коксе не должен превышать 0,012 %, в химическом угольном сырье 0,05 %. 9 При повышенном (до 1 %) содержании в угле и пространственной локализованности германия, галлия, урана, бериллия, лития, хрома и других элементов они становятся попутным полезным ископаемым. Содержание этих редких (малых) элементов обычно не превышает фоновое значение. Наиболее часто промышленное значение имеют скопления германия, урана и галлия. Есть примеры комплексных промышленных уголь-германиевых, уголь-урановых залежей. Попутное извлечение этих редких элементов производится при переработке угля. Токсичные элементы оцениваются относительно предельно допустимого уровня, г/т: для мышьяка – 300, марганца – 1000, ванадия, кобальта, никеля, хрома – 100, свинца – 50, ртути – 1. Сернистость – отрицательная характеристика качества угля, так как сера – вредная примесь. Сера, представленная сульфидными, сульфатными и органическими соединениями, при сжигании углей выделяется в виде газов SO2, SO3, H2S и др. В результате загрязняется окружающая среда, корродируются топки. Нелетучие соединения серы при коксовании остаются в коксе и снижают его качество. При превышении нормы серы в коксе на 1 % производительность доменной печи снижается на 2 %. В то же время в слабометаморфизованных гелитолитовых углях Иркутского бассейна повышенное содержание серы приводит в повышению их спекаемости. Сернистость энергетических углей в пересчете на массу с низшей теплотой сгорания (1000 ккал/кг) не должна превышать 1 %. Содержание общей серы – основная характеристика сернистости угля и лимитируется в зависимости от промышленного использования угля. Для обеспечения высоких требований к сернистости осуществляется обессеривание углей физическим и химическим обогащением. Физическим путем удаляется 10-60 % сульфидной серы в зависимости от вида проявления соответствующей минерализации. Наиболее перспективны химические и бактериологические виды обогащения. Отметим, что обессеривание – комплексная и трудно разрешимая проблема. Для специальных сортов доменного кокса и для производства карбида кальция из антрацита определяется содержание фосфора, которое не должно превышать 0,012 % в первом и 0,05 % во втором случае. 10 Петрографическим составом предопределяются промышленно-потребительские качества и ценность углей, а также геотехнологические свойства, характеризующие сопротивление разрушению и добыванию (буримость, взрываемость и др.), и склонность углей к самовозгоранию и эндогенным пожарам. Углепетрографические данные, кроме того, необходимы для решения прикладных задач угольной геологии и выбора методики разведки угольных месторождений. Изучаемые показатели угля, являющегося петрографическим агрегатом, обусловлены вещественным составом и физико-химическими свойствами органических компонентов и минеральных примесей. Органический материал представлен гелифицированными микрокомпонентами группы витринита Vt, фюзенизированными – группы фюзинита (инертинита) F(J), липоидными – группы липтинита L, которые отличаются по химическому составу и физическим свойствам (плотность, твердость и др.). Этим обусловлены разные геолого-промышленные свойства слагаемых ими углей. Плотностные и прочностные свойства являются квалиметрическими характеристиками угля. Плотность и пористость используют для определения запасов угля и метана, количества текущей их добычи и потерь. Пористость и связанная с ней проницаемость необходимы для характеристики обводненности и гидрогеологических условий разработки, а также газоотдачи. Плотность – важный показатель обогатимости угля и возможности геофизических методов изучения свойств угля как в массиве, так и в отбитом виде. Плотность угля – постоянно используемый квалиметрический показатель в маркшейдерско-геологической практике. Характеристика плотностных свойств ведется относительно массы твердой фазы (мелко размолотого) угля и образца в естественном состоянии. Но в литературе отсутствует единая терминология и буквенная индексация этих характеристик. Относительное количество угля, масса единицы объема, оценивается для твердой фазы (минерального скелета), именуется, по ГОСТ 2160-92, действительной плотностью и обозначается d, а для относительной массы при естественном состоянии угля и пористости – кажущейся плотностью и обозначается . Этих терминов придерживаются ав11 торы учебного пособия [6], справочника [8], крупной работы по испытанию углей (Е.М.Тайц, 1983) и другие. В то же время в ряде работ и учебниках [7, 10] употребляются понятия объемная масса (аналог кажущейся плотности) и плотность или действительная плотность. Термины удельная масса и объемная масса (плотность) использованы Госстандартом в таблице стандартных справочных данных ГСССД 122-88 «Осадочные горные породы месторождений твердых полезных ископаемых. Физические свойства» (М.: Госстандарт, 1989. 29 с.) Нами используются термины ГОСТ 2160-92. Показатели механических свойств: прочность (крепость), твердость, упругость и деформируемость, контактная прочность, – характеризуют сопротивляемость угля добыванию (разрабатываемости, по В.В.Ржевскому), которая в зависимости от техногенного воздействия дифференцированно представлена буримостью, абразивностью, взрываемостью, сопротивлением резанию и копанию добычными механизмами. Дробимость (размолоспособность) характеризует сопротивляемость угля при размельчении для последующего обогащения и подготовки металлургического кокса или для энергетического использования. Обогатимость. Добытая угольная масса (рядовой уголь) состоит из кусков угля и породы, а также сростков угля с породой. Для повышения качества рядового угля гравитационным, флотационным, электромагнитным и другими методами обогащения удается удалить значительную часть минерального материала и повысить относительное количество органической массы. В результате обогащения получают следующие продукты: – концентрат, в котором содержание горючей массы выше, чем в исходной массе, поступившей на обогащение; – промежуточный продукт – смесь всех составляющих угольной массы, получаемая из-за несовершенства обогащения; – отходы (хвосты) обогащения с более высоким содержанием неорганического материала, чем в исходной массе; – шлам – мелочь, остающаяся в воде обогатительной фабрики. Критериями обогатимости являются следующие параметры: – повышение промышленно-потребительских качеств (глубина обогащения); 12 – выход продуктов обогащения относительно исходной массы по фракциям; – наибольший и наименьший размер частиц эффективного обогащения (предел обогащения); – потери угля с отходами обогащения. Показатель обогатимости Т вычисляется по соотношению выхода продукта и породы. Для сортности угля по размеру кусков установлен нормативный уровень размера кусков при основных видах промышленного потребления. Согласно ГОСТ 19242-73 добытый уголь по кусковатости делится на следующие классы: сортовой, смешанный и рядовой. Для сортового угля установлены нижний (числитель) и верхний (знаменатель) пределы крупности, мм: плитный П 100/300, крупный К 50/100, орех О 25/50, мелкий М 13/25, семечко С 6/13, штыб Ш 0/6. Для рядового угля установлен только верхний предел 200 мм для подземных и 300 мм для открытых работ. 1.2. Промышленно-генетическая классификация углей По промышленно-генетическому принципу ископаемые угли делятся на бурые, каменные и антрацитовые. Такое деление отражает использование углей в энергетике, металлургии, химико-технологическом производстве, в сельском и коммунально-бытовом хозяйстве. Генетическая (геологическая) классификация основана на петрографическом составе и степени углефикации (метаморфизма). Бурые угли как продукт начальной стадии углефикации органического материала отличаются высоким содержанием летучего вещества, влаги и гуминовых кислот, но невысокими значениями теплоты сгорания ( QSaf 5700 ккал/кг) и отражательной способности витринита (Ro 0,5 %), а также отсутствием способности спекаться. Технологические группы бурых углей: бурые землистые Б1 (Wtr 40 %); плотные матовые Б2 (Wtr = 3040 %); плотные блестящие Б3 (Wtr 30 %). Каменные угли делятся на технологические марки с учетом выхода летучих V daf и показателя спекаемости у в миллиметрах: 13 длиннопламенный Д, газовый Г, газовый жирный ГЖ, жирный Ж, коксовый жирный КЖ, коксовый К, отощенный спекающийся ОС, слабо спекающийся СС, тощий Т. Спекающиеся угли марок Г-СС разделяются на технологические группы по значению показателя спекаемости у, цифровое обозначение которого указывается после буквы, например: Г6, К21 и др. Антрацитами считаются угли с V daf 7 % (Кузбасс), менее 8 % (Донбасс) и удельной теплотой сгорания 8200-8400 ккал/кг. В связи с разным составом и генезисом угля границы марок и групп, установленные по V daf и у, в разных бассейнах не совпадают. При однородном петрографическом составе марки углей соответствуют стадиям углефикации (метаморфизма), что характерно для углей Донбасса. В общем случае марка угля обусловлена степенью его метаморфизма и петрографическим составом. Разрешающая способность параметров V daf, у, Q и других, используемых для выделения границ степени метаморфизма, неравнозначна. Наиболее точным и универсальным показателем степени метаморфизма и выделения его стадий является показатель отражения витринита Rо в процентах – угольного вещества, наиболее чувствительного к воздействию метаморфических факторов. Эта особенность использована в ГОСТ 21489-76 для классификации углей по стадиям метаморфизма. Соотношение стадий с распространенным разделением угля по технологическим маркам такое: Марка Стадия Б1 01 Б2 02 Б3 03 Д I Г II Ж III К IV ОС V Т VI ПА VII А VIII-X Подробная и комплексная характеристика свойств и качества углей дана в единой классификации (ГОСТ 25543-88) «Угли бурые, каменные и антрацитные. Классификация по генетическим и технологическим параметрам». В ней угли разделены на виды (бурые, каменные, антрациты), на генетические классы, категории, типы и подтипы, на технологические марки, группы и подгруппы. Виды углей определяются по значениям Ro, QSaf , V daf; классы – детальной градацией по Ro, категории – составом углей (количеством отощающих при коксовании компонентов ОК в процентах); типы – по ми14 нимальной влажности W af для бурых, по V daf для каменных углей и антрацитов; подтипы – по выходу смолы при полукоксовании бурых углей, по спекаемости у для каменных углей, по анизотропии Ro для антрацитов. Технологические марки этой классификации: Б, Д, ДГ, Г, ГЖО, ГЖ, КЖ, К, КО, КСН, КС, ОС, ТС, СС, Т, А. Вся совокупность углей по классификационным признакам имеет кодовое обозначение, состоящее из 50 градаций для классов, восьми – для категорий и т.д. Каждая разновидность имеет семизначный цифровой код. Международная кодовая система каменных углей (1988) имеет более детальное 14-значное кодовое подразделение с дополнительной информацией о зольности, содержании серы и др. 15 2. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННО-ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ И ГОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УГЛЯ 2.1. Общие положения. Опробование Основным методом определения многочисленных показателей являются разного вида лабораторные анализы и испытания проб, отобранных в пласте, в добытой угольной массе, в отгружаемой и потребляемой продукции угледобычи и обогащения. Испытания включают определения ряда физико-механических свойств, а также термическое и другие виды воздействия, которые моделируют процесс переработки и использования угля. Главные промышленно-потребительские свойства определяют в результате технического анализа угля; элементным анализом устанавливают химический состав органической массы; для бурых углей дополнительно проводят групповой анализ. Виды анализов и испытаний углей стандартизированы. Для проведения лабораторных работ отбирают пробы в соответствии с требованиями стандартов. Для характеристики угля в естественном залегании осуществляется забойное (пластовое) опробование; для угля, добываемого по принятой системе и технологии эксплуатации месторождения, – эксплуатационное опробование; для угля, отгружаемого потребителю, – товарное опробование. По методу испытания и анализа проб опробование подразделяется на химическое, технологическое (заводское), петрографическое, геофизическое; по способу отбора проб – на бороздовое, точечное в виде штуфов и горстей (порций), валовое, задирковое, керновое и опробование шлама скважин. Пластовые пробы отбирают, по ГОСТ 9815-75, как пластоводифференциальные и пластово-промышленные. В первом случае определяют золу и плотность угольных пачек и породных прослоев; во втором – основные показатели качества и свойств всего пласта в совокупности его составляющих. Пробы отбирают одновременно и используют для взаимного контроля. Для сложноструктурных мощных пластов на открытых разработках допускается отбирать 16 только пластово-промышленные пробы. По результатам пластоводифференциального опробования, по зольности, плотности, мощности пачек и прослоев вычисляют пластовую зольность как средневзвешенную величину. Среднепластовые показатели качества и свойств зависят в первую очередь от количественного соотношения угольных пачек и породных прослоев, определяемого их мощностью. При выделении пачек и прослоев руководствуются регламентирующими требованиями. Макроскопически отличимые породные прослои мощностью менее 1 см относятся к контактирующей угольной пачке. Пачки угля, отделенные от основного пласта породой, относятся к пласту, если мощность породы не превышает мощность угольной пачки, а пластовая зольность не превышает кондиционный уровень. При подземной разработке мощность пачек, отделенных от основного пласта, может быть меньше кондиционного значения. Если мощность междупластья не позволяет вести раздельную выемку пластов, то они считаются сближенными и отрабатываются совместно валовым способом. Для крупных месторождений и для бассейнов установлены кондиции, лимитирующие минимальную мощность и предельный уровень качества, которые используют при подсчете запасов и решении вопросов отработки угольных пластов. Эксплуатационные пробы отбирают в течение определенного времени добычного процесса в забое или на участке с потока угольной массы, они содержат большое количество угольного материала, необходимого для технологических испытаний в заводских условиях. Товарные пробы характеризуют уголь как товарную продукцию, отправляемую потребителю для непосредственного использования или обогащения. Наибольшее распространение при изучении угля получило бороздовое и керновое опробование. Отбор угля производится из борозды прямоугольного или клиновидного сечения с использованием подручных средств и малой механизации (отбойного молотка, угольной пилы) или специальных механизмов, пригодных для работы на открытых разработках. 17 Керновая проба содержит весь материал керна. Как исключение, при проведении специальных исследований керна, в пробу отбирается половина керна, расколотого по оси. Обработка (разделка) материала проб производится для приготовления лабораторных проб путем дробления, перемешивания и сокращения. Уголь измельчается до 3 мм и испытывается на влажность. Из этого материала изготовляют аналитические пробы, измельченные до 0,2 мм. Отобранные из них навески используют для анализов разных видов. Все виды лабораторных анализов и испытаний стандартизированы. Для контроля бороздового, точечного и кернового опробования используют более представительные виды анализа: задирковое и валовое опробование, проводимое в горных выработках, в том числе на интервале подсечения разведочной скважины. Контроль лабораторных анализов проводится путем параллельного анализа навесок и зашифрованных дубликатов, а также внешним контролем в другой лаборатории. Методы контрольных анализов установлены специальными нормативными документами. Геофизические методы оценки качества и свойств применяют при наличии надежных корреляций соответствующих показателей и геофизических параметров. Эти методы получили распространение при скважинной разведке и на обогатительных фабриках и хранилищах при использовании специальных установок и приборов, определяющих обычно зольность, влажность и плотность. 2.2. Технический анализ Технический анализ включает определение показателей, предусмотренных техническими требованиями для различного использования угля: содержание влаги, золы, серы, летучих веществ, теплоты сгорания. В данной последовательности производится анализ проб. При сокращенном техническом анализе определяют влажность, зольность и выход летучих. Влажность как доля естественной влаги в массе угля определяется высушиванием образца или пробы и геофизическим путем. 18 Навеска угля высушивается при температуре 105-110 С, пар улавливается различными способами (ГОСТ 11056-77). По ГОСТ 11014-81 оценивают потерю массы при высушивании образца, доводя ее до постоянного значения за определенный отрезок времени. Для плотных углей влажность определяется взвешиванием влажного (G1) и высушенного (G2) образцов и вычислением W = 100(G1 – G2)/G2. Разваливающиеся угли помещают в бюксу, масса которой известна (Gб); взвешивание до и после высушивания осуществляется вместе с бюксой (G1 и G2). Далее W = 100(G1 – G2)/(G2 – Gб). Методы определения массовой доли разных видов влажноr сти Wt , Wex, Wh предусмотрены ГОСТ 27314-91. Внешняя (поверхностная) влага Wex определяется как разность между максимальной влагоемкостью и общей влагой. Максимальную влажность Wmax определяют следующим образом. Раздробленную до 3 мм пробу насыщают водой, фильтруют для удаления поверхностной воды и прессованием отжимают влагу, количество которой измеряют. Влажность воздушно-сухого угля является гигроскопической и определяется доведением массы навески до постоянного значения при температуре воздуха 20 С и влажности 60 % (ГОСТ 8719-90). Гидратная и пирогенетическая влага внутренней структуры органического и минерального вещества определяется при высокотемпературном разложении угля. Поэтому эта влага не участвует в определении общей влажности Wt и ее составляющих. В окисленных каменных и в бурых углях общая и максимальная влажность отличаются. Это отличие зависит от количества минерального материала (золы). Чтобы иметь сопоставимые результаты, определение Wtr необходимо проводить в пересчете на одинаковую зольность 15 %. Для этого рекомендуется формула В.В.Становова W15r W r a( Ad 15) , где W15r – рабочая влага в угле, приведенная к зольности Ad = 15 %; а – эмпирический коэффициент при Ad 15 %. Для Днепровского буроугольного бассейна а = 0,3; для Подмосковного 0,25; Челябинского 0,16; для Богословского 0,12. Для устранения влияния зольности на влажность бурых углей осуществляется пересчет влажности на беззольное топливо: W e = 100W r / (100 – Ad). По значению W e проводится классификация бурых углей. 19 Для оценки слеживаемости и смерзания отбитого угля определяется показатель водопоглощения. Он характеризуется относительным количеством воды, которую поглощает сухой образец за определенное время. Точность оценки влажности при параллельном определении 0,5 %. Основой геофизического метода определения влажности (ГОСТ 11056-77) являются электрические свойства сухого и влажного угля. С помощью влагомера для пробы, помещенной в конденсаторный датчик, измеряется электроемкость и диэлектрическое сопротивление или проницаемость. Водо- и газопроницаемость – это способность вещества при определенном перепаде давления пропускать через себя жидкость или газ. Проницаемость оценивается по закону Дарси, по линейной скорости фильтрации, определяемой с помощью прибора пермиметра и равной отношению объемного расхода жидкости к площади фильтрации с учетом градиента давления [2]. Методика определения этих показателей и их использование подробно освещены в работах по гидрогеологии и нефтегазовой геологии. Зольность – это отношение массы золы после сгорания угля к единице массы пробы (навески). Испытания проводятся медленным и ускоренным озолением и геофизическими методами с помощью приборов золомеров, фиксирующих отраженные или рассеянные рентгеновские или гамма-излучения порошкообразного материала или угольной массы на конвейерной ленте. При наиболее распространенном методе полного сжигания с полным доступом воздуха и с прокаливанием неорганического остатка происходит разложение вещества и удаляется гидратная влага, диоксид углерода, сернистый ангидрид, хлориды. Поэтому содержание золы всегда примерно на 10-15 % меньше содержания в угле минеральных примесей. Химический состав золы, зависящий от минерального состава негорючей массы угля, определяет важные ее свойства: температуру плавления, шлакуемость и абразивность. Эти свойства влияют на технологию использования угля и золы. Методика определения химического состава золы регламентирована ГОСТ 10538-87. Основным показателем отмеченных свойств является температура спекания, плавления и другого состояния образца (пробы) золы, подвергаемого нагреванию в различной среде (ГОСТ 2057-94). 20 Сернистость как относительная масса общего количества серы определяется при сжигании углей при температуре 1150 С путем улавливания образовавшихся сернистых соединений: газов (SO2, H2S), выпавших осадков и сернистой кислоты (ГОСТ 2059-95, ГОСТ 8606-94). Содержание органической серы оценивается химическим путем при элементном анализе количества С, Н, О. Дифференцированное определение разновидностей серы (пиритной, органической, сульфатной) практикуется для высокосернистых углей. Содержание фосфора (Рd) определяется путем химического анализа в лабораторных условиях. Выход летучих веществ характеризуется по относительной массе или объему летучих газо- и парообразных продуктов, образующихся при нагревании навески без доступа воздуха. Испытания проводятся при установленных стандартами (ГОСТ 6382-91) условиях нагревания до 850 С в течение 7 мин. В результате нагрева часть минерального материала (карбонаты, сульфиды и др.) разлагается с выделением газов, которые искажают подсчет летучих составляющих органического материала. Поэтому для испытаний используют пробы с зольностью Ad 10 %. Точность определения V d несколько снижается для бурых (V d 40 %) и окисленных углей, так как при выделении большого количества газов улетучиваются частички угля. Некоторые искажения V d у антрацитов связаны с выгоранием небольшой части навески. Поэтому у антрацитов с V d 9 % выход летучих определяется по объему выделившихся газов при нагреве до 900 С в течение 15 мин (ГОСТ 7303-90). Пересчет результатов лабораторного анализа V a на абсолютно сухой уголь V d и горючую массу V daf ведется по формулам: V d = 100V a /(100 – V a); V daf = 100Va /[100 – (W a + Ad)]. Теплота сгорания определяется в калориметрической камере (бомбе) в среде сжатого кислорода в стандартизированных условиях полного сжигания. Полученное в бомбе значение Qб не характеризует удобную для практики теплотворную способность, ибо включает тепло кислотной реакции. Пересчетом по формуле QSr Qбd 22,5Sб 0,0015Qб , где S – содержание серы, определяется высшая теплота сгорания. Для определения полезной (низшей) теплоты Qi, в которой исключена теплота на испарение воды из угля 21 (Wtr), используется обобщенное выражение Qir QSr 6(Wt r 9H r ) , где Н – содержание водорода. Для сравнения теплоты сгорания разных углей и видов топлива используется условное (эталонное) топливо с Qir = 7000 ккал/кг (29,3 МДж/кг). Для пересчета натурального топлива в условное его масса умножается на калорийный эквивалент Эк, равный отношению фактической низшей теплоты сгорания к Qir условного топлива. При групповом анализе, проводимом для бурых и окисленных углей, определяется содержание битумного и гуминового вещества (ГОСТ 9517-94, ГОСТ 10969-91). Количество битумов оценивается при воздействии на навеску угля органических растворителей (например, бензола), а при определении гуминовых кислот – щелочей. При маркшейдерско-геологическом обеспечении добычи угля и разведки угольных месторождений широко и постоянно используется такой квалиметрический показатель, как плотность угля. Плотность угля и пород, равная отношению массы к объему, определяется в лаборатории по образцам, в массиве и в навале как насыпная плотность. Действительную плотность d как плотность твердой фазы чаще всего определяют пикнометрическим способом по навеске измельченного угля массой 10 г. Взвешивается навеска сухого угля, пикнометра с водой и с навеской в воде. Вся процедура лабораторных операций и вычисления плотности предусмотрена ГОСТ 2160-92. Кажущаяся плотность определяется по образцам массой 100-200 г гидростатическим взвешиванием, волюмометрическим и другими методами, подробно описанными в учебниках, справочниках и пособиях [2, 4]. У образцов правильной формы, которые изготовлены камнерезным путем, определение массы и объема не вызывает затруднений. Для образцов неправильной формы разработан ряд способов определения плотности; некоторые из них рекомендованы стандартами. Для углей невысокой степени метаморфизма целесообразно использовать метод гидростатического взвешивания с парафинированием образцов. Для плотных высокометаморфизованных углей гидростатическое взвешивание проводится для насыщенных водой или керосином образцов. Насыщение и взвешивание в керосине для многих типов углей предпочтительнее из-за низкой их смачиваемости водой. Гидростатическое определение плотности 22 упрощается при использовании денситометров – приборов, специально предназначенных для определения плотности твердых материалов. В практике авторов кажущаяся плотность плотных углей и пород определялась с помощью весов лабораторных квадрантного типа (ВЛКТ). Простые и быстрые операции и достаточная точность взвешивания позволяют использовать такой способ для массового определения плотности углей и пород. Для определения плотности в массиве осуществляется пробная вырубка (выемка), максимально приближенная к правильной фигуре, объемом около 1 м3. По массе извлеченного материала и объему вырубки вычисляется плотность. Для повышения точности определения объема вырубка заполняется песком контролируемого объема. Плотность определяется также валовым способом, когда измеряется объем пройденной выработки или отработанной части пласта и взвешивается отбитая масса. Подобным образом плотность определяется при использовании буровой мелочи и параметров технических и взрывных скважин. Геофизические методы основаны на зависимости геофизических параметров от плотности. Наибольшее распространение получили измерения разных видов гамма-излучений при плотностном гамма-гамма-каротаже с использованием портативного гаммаплотномера. Эти методы требуют тарировки относительно углей и пород с известной плотностью. При определении плотности бурых углей марки Б1 и Б2 параллельно определяется их естественная (рабочая) влажность. Сравнительный анализ плотности разных углей проводится при пересчете их значений к одинаковой зольности, влажности и сернистости. Точность оценки плотности по двум параллельным определениям 0,01 т/м3. В случае значительной изменчивости плотности и использования ее среднего значения для подсчета массы угля необходимо руководствоваться следующими рекомендациями нормативов. Если коэффициент вариации, вычисленный как относительная средняя квадратическая погрешность по статистическим значениям , меньше 2 %, то средняя плотность принимается к расчету массы угля при определении запасов или добычи. 23 2.3. Вещественно-петрографический анализ Вещественный состав угля определяется в лабораторных условиях путем химического и спектрального анализов специально приготовленных аналитических навесок. В результате определяется содержание основных химических элементов: С, Н, N, O, S. Эти элементы содержатся в органическом и минеральном материале, поэтому при анализе выделяют их общее содержание, а также содержание в органике. Принято, что органическое вещество представлено С + Н + N + O + S = 100 %. Результаты анализов пересчитываются на сухую и безводную массу угля. Содержание элементов-примесей (микроэлементов), встречающихся в углях в очень малом количестве (германий, галлий, уран, фосфор, литий, ванадий и др.), определяется спектральным, колориметрическим, радиометрическим и другими методами в зависимости от свойств изучаемых элементов. Промышленный интерес чаще всего представляют скопления германия и галлия, содержание которых определяется фотоколориметрическим методом (ГОСТ 10175-77, ГОСТ 12711-77). Содержание микрокомпонентов приводится в пересчете на сухой уголь и на золу. При изучении петрографического состава выделяют микрои макрокомпоненты органического материала. Определение содержания микрокомпонентов (мацералов), объединенных в группы: гелифицированные, фюзенизированные, липоидные, – осуществляется по шлифам и аншлифам под микроскопом в соответствии с ГОСТ 9414-94 для плотных бурых, каменных углей и антрацитов и ГОСТ 12112-78 для бурых углей. Под микроскопом с использованием углепетрографических признаков и приемов точечного подсчета по равномерной сетке определяется относительное количество компонентов, близких по физико-химическим свойствам к отмеченным группам: витринита Vt (гелифицированные); фюзинита F или инертинита I; переходной форме компонентов – семивитринита Sv; группе липтинита L. Минеральный материал (М) подсчитывается с разделением на глинистые, карбонатные, сульфидные и другие разновидности. Большие по размеру гелифицированные и фюзенизированные компоненты, различимые невооруженным глазом, являются 24 самостоятельным литотипом угля простого строения: витреном В, фюзеном Ф. Для каждого рабочего пласта определяется содержание отощающих (фюзенизированных) ОК = F + 2/3Sv и спекающихся СК = Vt + L + 1/3Sv компонентов. По этим данным судят об общих петрографических закономерностях и качестве угля для коксохимического производства. Диагностическим параметром микрокомпонентного состава (Vt, F(I), L) и степени метаморфизма является отражательная способность Rо, определяемая для витринита по полированной поверхности аншлифа (ГОСТ 12113-94). Величина Rо является объективным и универсальным критерием степени метаморфизма, поскольку не зависит от петрографического состава и зольности угля. При петрографических исследованиях определяется также микротвердость и микрохрупкость. Представительность петрографических характеристик обеспечивается большим количеством микроскопических измерений. Например, петрографический состав и содержание микрокомпонентов характеризуется более чем по 400 измерениям, проводимым в воздушной среде и в иммерсионной жидкости. Литотипы угля выделяются по таким макродиагностическим признакам, как блеск, цвет, излом, трещиноватость, структурнотекстурные особенности, которые зависят от соотношения Vt, F(I), L, M. Литотипы простого строения и состава (витрен, фюзен) выделяются при мощности слоя более 3 мм, сложного состава (кларен, дюрен и их смесь) – при мощности более 10 мм. Клареновый уголь является блестящим литотипом, дюреноклареновый – полублестящим литотипом, кларенодюреновый – полуматовым литотипом, дюреновый – матовым литотипом. Для оценки склонности углей к эндогенному возгоранию необходимо знать вещественно-петрографический состав, строение и нарушенность пласта. Определение химического и петрографического состава позволяет в первом приближении судить о возможном самовозгорании угля. Прямое определение показателя самовозгорания связано с оценкой химической активности угля – способности окисляться, накапливать тепло до критической температуры 25 естественного возгорания. Определение показателя химической активности U проводится в лабораторных условиях на специальной аппаратуре. Показатель U характеризует количество кислорода, сорбированного 1 г навески угля за определенный срок. Другой безразмерный показатель, именуемый газовым, отражает отношение количества поглощенного воздуха и выделившихся газов окисления (СО, СО2 и др.). 2.4. Изучение технологических и физико-механических свойств Основными технологическими показателями углей, по ГОСТ 25543-88, являются выход летучих компонентов, показатели спекаемости – свойства, обеспечивающего использование углей в качестве кокса для металлургического производства и т.д. Способность спекаться проявляется при нагревании угля без доступа воздуха, когда оставшаяся нелетучая пластическая или вязкосыпучая масса образует при температуре более 300 С полукокс, а при 1000 С и более – кокс. Первоначальную оценку спекаемости проводят по внешнему виду и по состоянию твердого остатка (королька) с выделением семи категорий: от порошка до хорошо сплавленного твердого остатка с металлическим звоном. Количественная оценка этих характеристик предусмотрена ГОСТ 1186-87 и др. Наиболее распространенный пластометрический метод предусматривает измерение толщины пластического слоя у нелетучего остатка в миллиметрах и изменения высоты навески угля из-за усадки х в миллиметрах при нагревании до 750 С. Такие испытания проводятся, например, на пластометрическом аппарате Сапожникова. Для плохо спекающихся углей по методу Рога определяется крепость нелетучего остатка – индекс Рога (RJ). Испытания проводятся путем быстрого нагревания навески в тигле. По методу свободного вспучивания (ГОСТ 20330-91) оценивается форма твердого остатка (королька), которая сравнивается с набором из 17 стандартных форм, представляющих шкалу индекса свободного вспучивания (SJ). Этот метод принят Женевской комиссией ООН (1988) для международной классификации спекаемости. 26 Коксуемость определяется в полузаводских условиях в печах по пробам массой 150-200 кг или в металлических ящиках (70-80 кг) с соблюдением условий промышленного коксообразования. Технологические качества такого кокса испытывают стандартизированными способами. Коксуемость определяется также дилатометрическими методами по размеру вспучивания и увеличению объема нагреваемой навески (методы Грей-Кинга, Института горючих ископаемых (ИГИ) и др.). По методу Грей-Кинга тип кокса визуально оценивается сравнением с семиразрядной шкалой коксового остатка (королька). При полукоксовании из-за низкотемпературного разложения определяется выход смолы или дегтя, газа и твердого остатка полукокса (ГОСТ 9517-94). Обогатимость характеризует способность угля разделяться на концентрат, промежуточный продукт, хвосты. Для каменных углей, по ГОСТ 4790-80, пробы анализируют по фракциям крупности при разделении угольной массы в жидкостях плотностью от 1,3 до 2,1 т/м3. Концентрат с зольностью Ad 10 % выделяется в жидкости плотностью до 1,5 т/м3; промпродукт – при плотности 1,5-1,8 т/м3; отходы – при плотности более 1,8 т/м3. Показатель обогатимости в процентах определяется по выражению Т = 1001 /(100 – 2), где 1 – выход промпродукта, %; 2 – выход отходов, %. Выделяют следующие категории обогатимости: легкая Т 5 %, средняя Т = 1015 %, очень трудная Т 15 %. Пригодность углей для брикетирования с последующим использованием для энергетических целей и полукоксования оценивается опытным путем при изготовлении брикетов. Для брикетов определяется прочность, теплота сгорания, водостойкость, самовозгорание и другие показатели, предусмотренные стандартом. Физико-механические свойства, такие как плотность, прочность, хрупкость и др., непосредственно предопределяют ряд квалиметрических характеристик, относящихся к подготовке и промышленному использованию угля, к обогащению, хранению, оценке запасов, емкости и фильтрации природного газа и др. Методы изучения плотности были рассмотрены в разделе 2.2. Пористость как относительный объем пустот (пор) в образце угля количественно оценивается по относительной разности плотности минерального (твердого) материала d и кажущейся плот27 ности : П = 100(d – )/d. Открытая пористость, представленная сообщающимися порами, определяется по объему жидкости, чаще керосина, поглощенного образцом. Керосин отличается хорошей смачиваемостью и легко проникает в поры, малолетуч, не размачивает уголь, что повышает точность лабораторных испытаний. Образец объемом 50-100 см3 высушивают при температуре 100-105 С и взвешивают (G1), затем насыщают керосином в течение 30 мин под вакуумом, гидростатически взвешивают в керосине (G2) и в воздухе (G3). Открытая пористость По = 100(G3 – G1)/(G3 – G2). Насыщение пор водой происходит при кипячении. Для детального изучения пористости с определением параметров пор пользуются методами электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, ртутной порометрии, абсорбции и др. Для оценки фильтрационных и коллекторных свойств используют более сложные лабораторные методы с нагнетанием газа или жидкости [2]. Для оценки фильтрационных свойств (проницаемости) определяется расход воды при прохождении через устанавливаемую площадь с учетом перепада давления. Прочность углей определяется на образцах правильной формы с использованием лабораторного оборудования в соответствии с ГОСТ 21153, изданного частями в 1984-1988 годах, и характеризует предельное сопротивление разрушению при сжатии, растяжении и срезе. Требования к параметрам испытываемых образцов: высота составляет 1,7-2,0 диаметра (стороны квадрата) основания; оптимальный диаметр 42 мм. При испытании на прочность при растяжении путем сжатия цилиндрических образцов по образующей отмеченное соотношение может быть 1:1. Для образцов неправильной формы при соосном испытании сферическими инденторами площадь разрушения (разрыва) желательно иметь равной 153 см2 (ГОСТ 24941-81). Использование таких образцов освобождает от трудоемких и дорогостоящих камнерезных работ по подготовке образцов правильной формы. ГОСТ 24941-81 предусматривает использование сконструированных во ВНИМИ приборов-пробников типа БУ-39. Модифицированный вариант этого прибора БП-25 (Г.В.Михеев, Р.А.Такранов) предназначен для испытаний образцов непосредственно в выработке или возле обнажения. 28 Испытания соосными инденторами позволяют непосредственно определять прочность на растяжение. По динамометру фиксируется разрушающая нагрузка Р в миллиметрах, полученное значение по результатам тарирования переводится в ньютоны. Площадь разрушения образца S измеряется по отпечатку на бумаге. Прочность на растяжение в паскалях рассчитывается по формуле р = 0,75P/(SKS), где KS – поправка в связи с тем, что площадь разрушения S отличается от 1510-4 м2 (для последней KS = 1, для других S величина KS дана в ГОСТ 24941-81). Для вычисления прочности на сжатие с прочность на растяжение р умножается на переходной коэффициент, зависящий от состава и свойств пород или углей. Для многих угленосных отложений значения переходного коэффициента колеблются от 12-15 (слабые глинистые породы) до 25 (прочные песчаники с карбонатным и кремнистым цементом). Значение коэффициента требует уточнения для конкретных геологических условий путем сопоставления прямых испытаний на сжатие и растяжение образцов из одной пробы. Например, для экибастузских углей нами были установлены такие значения переходного коэффициента: уголь клареновый и дюреноклареновый полублестящий 24-25, дюреновый полуматовый 20-23, дюреновый матовый зольный 18, углистый аргиллит 14-17. Образцы изометрической (неправильной) формы испытываются по способу Института горного дела им. А.А.Скочинского (ИГД) сжатием на прессе с вычислением с = Р(/g)0,67, кг/см2, где Р – разрушающая нагрузка, кг; – кажущаяся плотность образца, г/см3; g – вес образца, г (близок 100-150 г). В первом приближении с = 0,1с прочности образцов правильной формы. Пересчет в СИ: 1 кг/см2 = = 0,98105 Н/м2; 10 кг/см2 = 1 МПа. При испытании на срез используются различные приспособления, обеспечивающие переход от нормальных к сдвигающим (касательным) напряжениям по конкретному «косому» направлению с помощью пары клиньев, обоймы, матрицы и т.д. Сопротивляемость разрушению при добыче, подготовке угля к производственному использованию и обогащению характеризуется показателями механической прочности, которые определяются стандартизированными методами. Лабораторные испытания проводятся, например, сбрасыванием образца на плиту или на него груза. 29 Гранулометрический состав раздробленного угля характеризует энергию (работу) разрушения, которая пропорциональна прочности. (По закону Риттенгера, энергия разрушения пропорциональна поверхности образованных кусков.) Для оценки универсального показателя прочности при разрушении – коэффициента крепости по шкале Протодьяконова – используется метод толчения угольной пробы (ГОСТ 21153.1-75). Навеска угля крупностью до 30 мм дробится в стальном стакане грузом массой 2,4 кг, сбрасываемым с высоты 60 см. Объем измельченной до 0,5 мм угольной массы измеряется специальным приспособлением – объемомером. Технология испытания стандартизирована. Коэффициент крепости вычисляется по формуле f = 20n / h, где n – число сбрасываний при испытании одной навески; h – высота столбика образованной мелочи после испытания пяти навесок, мм, измеряется по шкале пробки-поршня объемомера. Исследованиями М.М.Протодьяконова, Л.И.Барона и других установлено, что для практических целей достаточно считать, что f = с /100, где с – прочность на сжатие образцов правильной формы. Уточненное соотношение f c с . 300 30 Сопротивляемость ударам и истиранию определяется сопоставлением показателей гранулометрии пробы до и после испытаний в барабанных мельницах или шаровых дробилках при стандартизированном режиме. Для сжигания угля в пылевидном виде рассчитывается коэффициент размолоспособности (ГОСТ 15489-94). Отмеченные прочностные характеристики можно установить и другими способами, разработанными Донецким угольным институтом (ДонУГИ), ИГИ и др. [2]. Твердость как сопротивление проникновению тела индентора является характеристикой поверхностного механического разрушения. Она оценивается нагрузкой при вдавливании индентора разной формы в поверхность образца или аншлифа. В качестве индентора используются стальные шарики (метод Брюнеля), алмазный конус (метод Роквелла), ромб или пирамида (метод Виккерса). Испытания проводятся с помощью специальных приборов – микротвердомеров, а результаты внедрения (микротвердость) изучают чаще под микроскопом. 30 Наибольшее распространение получили приборы типа ПМТ с алмазным индентором пирамидальной формы. Микротвердость рассчитывается по отношению нагрузки на боковую площадь отпечатка. Последняя определяется по длине диагонали следа пирамиды, измеряемой с помощью микрометренного устройства прибора. Микротвердость отличается большим разбросом результатов испытаний. Поэтому на одном образце необходимо осуществить 10-20 внедрений индентора. Определение твердости угля как многокомпонентного агрегата затруднительно. Поэтому испытывают отдельные компоненты, которые по снижению твердости располагаются в ряду: липоиды, витринит, фюзинит. Влияние степени метаморфизма иллюстрируют данные Л.И.Сарбеевой для витринита донецких углей: Марка Микротвердость, МПа Д 300-500 Г-Ж 300-400 К 280-300 ОС 300-400 А 500 При петрографических исследованиях параллельно с микротвердостью определяется микрохрупкость. Для этого подсчитывается количество отпечатков с трещинами и сколами относительно общего количества отпечатков (ГОСТ 21206-75). Твердость по методу Л.А.Шрейнера определяется вдавливанием твердосплавного стального индентора (штампа) цилиндрической формы с плоским основанием в обработанную поверхность образца. Внедрение осуществляется на прессе до хрупкого разрушения под ним угля, что обычно происходит через 20-40 с. Момент хрупкого разрушения определяется по резкому падению давления на прессе. Для пластичных пород определяют нагрузку по внедрению примерно на 1 мм. Отношение разрушающей нагрузки к площади штампа характеризует твердость. Динамический способ Шора предусматривает изменение отскока от шлифованной поверхности образца сферического бойка, сбрасываемого с определенной высоты. Испытания твердости проводятся с помощью прибора склероскопа. Простым способом определения твердости является сопоставление с минералами шкалы Мооса при царапании ими витринитовых составляющих. Для этих же целей можно использовать металлические иглы: твердость алюминия 2-2,5, меди 3-3,5, стали 3,5-4,0. 31 1 2 3 Рис.1. Эталонный молоток и угловая масштабная линейка 1 – головка, 2 – эталонный стержень, 3 – шарик Вдавливание плоского штампа в нешлифованную поверхность образца по методике ИГД им. А.А.Скочинского позволяет характеризовать контактную прочность. Этот показатель, широко используемый в технологии бурения, по данным Л.И.Барона и других, составляет 0,62 от твердости, полученной по шлифованным поверхностям. По глубине или усилию внедрения разных инденторов и наконечников можно вести экспрессные определения твердости или физически с ней связанной прочности (крепости) относительно слабых пород и угля. Для этого используются пинетрометры, конусный прибор ВНИМИ, ручной прибор определения крепости Кузбасского научно-исследовательского угольного института (КузНИУИ), приборы Новочеркасского политехнического института и др. Экспресс-методом испытания твердости (прочности) предусматривается измерение отпечатка сферического индектора при ударе им по породе. Чтобы исключить влияние силы удара на размер отпечатка (лунки) в конструкции эталонного молотка используется принцип Польди, согласно которому лунки создаются одновременно на породе и на эталонном (контрольном) стержне, упирающемся в шарик с противоположной стороны. Шарик и стержень (рис.1) закреплены в обойме, представляющей собой ударную часть, 32 головку эталонного шарикового молотка. Удары наносят или самим молотком, или, когда шарик прижат к породе, по тыльной стороне его головки. Твердость (прочность) оценивается по соотношению диаметра лунок на образце do и на эталонном стержне dэ с учетом твердости металла стержня (рис.2). Диаметры лунок измеряли с помощью угловой масштабной линейки (см.рис.1), представляющей собой скрепленные под углом линейки с соотношением сторон 1/10 (принцип поперечного топографического масштаба). При испытании хрупких углей для повышения четкости контура лунки ударяемую поверхность покрывают парафином или на нее укладывают тонкую фольгу или бумагу. С целью расширения возможностей метода авторы использовали для эталонных стержней не только стальные, но и дюралевыее, медные и латунные прутки стандартизированного сортамента. На более мягком металле получаются более четкие отпечатки, что повышает точность испытаний. При сопоставлении с результатами прямого определения прочности с установлена ее связь с отношением do /dэ. Аналитически она описывается выражением с = а(do /dэ)-b, где а и b – эмпирические коэффициенты, зависящие от свойств породы и угля. Упругие свойства: модуль упругости Юнга Е и ко- c, МПа эффициент поперечной де80 формации Пуассона , – опре60 деляются статическими методами при нагружении образца 40 3 2 правильной формы и фиксации деформации датчиками 20 (ГОСТ 28985-91). При дина1 мическом методе используется 0 соотношение скоростей рас1,0 2,0 3,0 do /dэ пространения упругих колебаний продольного (vp) и попеРис.2. Зависимость прочности с речного (vs) типа. Для угля от соотношения диаметра отпечатков vp = 0,62,7 км/с. на образце dо и эталонном стержне dэ для углей (1), терригенных пород (2) Обычно через образец и известняков (3) пропускается импульс упругих 33 колебаний ультразвукового диапазона частоты. По теории упругости соотношения скорости ультразвуковых волн vp и vs функционально связаны с коэффициентом Пуассона и модулем Юнга Е. Изменение скорости vp и vs регламентировано ГОСТ 21153.7-75 и осуществляется с использованием серийной аппаратуры типа ИПА, УКБ, УЗС и т.п. В связи с тем, что определение поперечной скорости затруднено, нами [11] предложен способ, предусматривающий использование определяемой скорости поверхностной волны vR, значение которой тесно коррелирует с поперечной волной. Скорость vp измеряется, когда датчики соосно расположены вдоль оси и прижаты с торцов образца. Для измерения vR датчики смещают к краю боковой поверхности образца (на половину их сечения), располагая по образующей. Способы измерения vp и vR, расчета vs и Е, подробно изложены в работе [11] и некоторых методических указаниях ВНИМИ. Для устранения трудоемких камнерезных работ по изготовлению образцов правильной формы и проведения массовых определений упругих свойств пород и угля во ВНИМИ создано специальное устройство «Керноскоп». Оно состоит из точечных датчиков, прижимаемых к любой неровной поверхности образца, и приспособления для измерения расстояния между точками контакта датчиков с образцом. 2.5. Совершенствование опробования Опробование совершенствуется механизацией процесса отбора проб, применением геофизических методов без отбора проб, косвенным способом (аналитическим, графическим) на основе установленных корреляций показателей качества с другими легко определяемыми характеристиками угля и пласта. Механизация пробоотбора увеличивает производительность и безопасность труда. Имеются многочисленные конструкторские разработки, испытаны опытные образцы различных устройств и приспособлений для отбора проб, однако серийное их производство отсутствует. Например, на базе шахтного электросверла в КузНИУИ 34 создана угольная пила, состоящая из электродвигателя, гибкого вала и бара с режущей цепью. Этим приспособлением вырезается треугольная борозда в угольном пласте. Режущий принцип реализован в дисковых пробоотборниках Всероссийского института техники разведки (ВИТР), Центрального научно-исследовательского геолого-разведочного института (ЦНИГРИ) и др. Для ударного способа отбора проб используют съемные коронки разной формы, которые крепят на пике отбойных молотков и перфораторов, а также применяют пневматические рубильные молотки. На угольных карьерах (например, на экибастузских) отбор проб по горизонтальным площадкам механизирован с помощью уступного пробоотборника (УП). Рабочий орган, состоящий из отбойных и режущих коронок, шнека с дробилкой, работает от тракторного двигателя бульдозера. Высокая производительность пробоотборника позволяет отказаться от 8-10 опробщиков. Геофизическими методами определяется зольность, влажность и плотность угля. Наибольшее распространение они получили при скважинной разведке и обогащении. Применению геофизических методов при разведке способствовало серийное производство каротажной аппаратуры. Зольность определяется при каротаже скважин: гамма-каротаж, селективный и плотностной гамма-гаммакаротаж. В ядерно-физических способах используется зависимость радиоактивности углей от количества минеральных примесей; при плотностном каротаже – связь зольности с кажущейся плотностью. Зольность определяется также посредством электрокаротажа, так как электропроводимость угля зависит от количества минерального материала. Ядерно-физические методы используют в стационарных и переносных золомерах на обогатительных фабриках. Зольность определяется по результатам облучения измельченной угольной массы, по лабораторным навескам и по отдельным образцам. Имеются примеры определения зольности по раздробленному углю на транспортерной ленте и в забое шахты или на карьере. При открытой разработке сложноструктурных угольных пластов необходимо оперативно решать вопрос о валовой или селективной отработке добычного уступа и шихтовке угольной массы 35 из разных забоев. Однако традиционное опробование откосов, связанное с трудоемкими, продолжительными и опасными работами, не обеспечивает оперативное получение исходных данных о строении и качестве пласта. Поэтому данные, в первую очередь, о мощности угольных пачек и породных прослоев целесообразно определять дистанционным способом. По соотношению мощности пачек и прослоев определяется среднепластовая зольность, которая согласно ГОСТ 9815-75 рассчитывается как средневзвешенная по мощности величина. При этом, как показали исследования, зольность индивидуальных пачек и прослоев достаточно стабильна на значительном протяжении. Для дистанционного определения мощности используют геодезические дальномеры, специально созданные высотомеры и упрощенную фотограмметрическую съемку. При использовании высотомеров, сконструированных во ВНИМИ, ошибка измерения мощности на уступах высотой до 15 м не превысила 8 %. Мобильным и достаточно точным способом является крупномасштабная съемка откосов любительскими фотокамерами. Методика, разработанная ВНИМИ, предусматривает минимизацию искажений изображения пласта, которыми обладает снимок как центральная проекция неровной поверхности откоса. Опытная фотосъемка в различных горно-геологических условиях угольных карьеров показала, что точность определения мощности фотометодом составила: при съемке «с рук» 7-14 %, со штанги-штатива 7,5 %, телеобъективами 6 %. Точность и простота измерений по фотоснимку повышаются при съемке цифровыми камерами и обработке на компьютере. Фототон (оптическая плотность) изображения угольных пачек и породных прослоев отражает литотип и зольность угля. Установлена корреляция фототона, зольности, а также фотометрических показателей разных углей, полученных в лаборатории и в натуре, в массиве. Показатели фотометрии углей разного состава и зольности, а также метрические возможности крупномасштабного фотоизображения пласта сложного строения позволяют исследователям оперативно определять среднепластовую зольность с достаточной точностью, не прибегая к трудоемким и опасным работам по опробованию откосов. 36 2.6. Характеристика разрыхленной угольной массы В маркшейдерской практике обеспечения технологических процессов открытой разработки добычных уступов, а также при оценке качества и количества добытого угля по сортности (кусковатости) на складе определяют следующие параметры раздробленного угля: кажущуюся плотность (насыпную плотность), коэффициент разрыхления, гранулометрический состав. Эти параметры зависят от технологии разрушения массива и добывания угля в забое, а также от технологии складообразования. 2.6.1. Плотность разрыхленного угля Для определения количества угля в штабеле склада, в бункере, в транспортном сосуде, во взорванном блоке экскаваторной заходки необходимо знать массу разрыхленного угля в единице объема. Термин объемная масса полезного ископаемого в штабеле, навале, на складе используется в учебнике для вузов «Маркшейдерия» под ред. М.Е.Певзнера, В.Н.Попова (М.: Изд-во Московского горного ун-та, 2003. 419 с.) и в «Межотраслевой инструкции по определению и контролю добычи и вскрыши на карьерах» (Л.: Недра, 1979. 34 с.). Понятие объемная масса разрыхленного угля по смыслу и методам определения соответствует принятому в нашем пособии термину кажущаяся плотность . Действительная плотность не является показателем плотностных свойств раздробленной массы. Наряду с этим для сыпучих и кусковатых материалов еще используется термин насыпная масса [2]. Учитывая изложенное, для характеристики плотностных свойств разрыхленной угольной массы при различном разрыхлении угля и уплотнении массы целесообразно использовать одно понятие – плотность разрыхленного угля. Плотность разрыхленного угля зависит от плотности угля в куске, гранулометрического состава раздробленного угля, количественного соотношения угля и пород, влажности, от технологии отсыпки и уплотнения штабеля, срока хранения массы на складе. Если склад сформирован из угля разных пластов и типов, то плотность 37 угольной массы определяется дифференцированно с учетом количественного соотношения разного угля в штабеле (навале). Желательно так же поступать при разной кусковатости, зольности и влажности угля. Разница зольности должна превышать 5 %. Если полученные значения зольности и влажности A2d , W2r отличаются от первоначальных значений A1d , W1r , вводят соответствующие поправки: p2 p1 100 W1r ; 100 W2r p2 p1 1 0,01 A2d A1d , Kp где Kр – коэффициент разрыхления. Последняя формула предложена для условий Донбасса [3]. Плотность разрыхленного угля определяется замером объема и взвешиванием угля небольшого штабеля правильной формы, а также измерением объема массы в железнодорожном вагоне, вагонетке, кузове автосамосвала с последующим взвешиванием загруженного и пустого транспортного средства. Точность взвешивания 0,05 %, для повагонного взвешивания 0,5 % [4]. Плотность определяется при ситовом анализе разрыхленной массы. Например, плотность щебня определяется с помощью мерного металлического стакана цилиндрической формы с открывающимся дном. По объему и массе заполненного материала рассчитывается плотность. Размер стакана зависит от крупности кусков. Например, для кусков размером более 4 см высота и диаметр стакана должны быть равны 46 см. При оценке плотности для больших бункеров и транспортных средств грузоподъемностью более 10 т результаты определения с помощью мерных стаканов необходимо увеличить на 5 % [2]. Плотность угольной массы в большом по объему складе определяется методом пробной вырубки (шурфования) с измерением объема и массы извлеченного материала, а также закладкой в навал ящика известного объема (метод мерной емкости). Для рядового угля емкость должна быть размером не менее 0,5 0,5 0,5 м. Точность взвешивания 1 кг. В случае некрупного угля практикуется задавливание (забивание) такой емкости, представленной отрезком 38 металлической трубы большого диаметра с заостренным передним краем. При однородной кусковатости (уголь одного сорта) плотность достаточно определить трижды. Метод шурфования для больших (более 200 тыс.м3) штабелей весьма трудоемкий, ибо, согласно нормативным требованиям, необходимо проходить не менее 15 шурфов правильной формы с тщательным сбором вынутой массы и точным промером параметров выработки. При использовании в качестве мерной емкости вагонов, думпкаров, автосамосвалов взвешивание загруженных и порожних транспортных средств ведется с точностью не ниже 0,1 т при общем количестве испытуемого угля не менее 400 т. Плотность разрыхленного угля в больших штабелях и складских навалах возрастает до глубины 10 м в связи с уплотнением [2], поэтому среднее значение р в штабеле определяется, исходя из плотности на поверхности пов и на глубине h. В штабелях, по форме близких к усеченной пирамиде, р 3 пов пов h 2 S cp 2 h пов 6 S cp , где Sср – средняя площадь сечения, Scp Sпов Sh Sпов Sh . Трудоемкие методы шурфования и мерной емкости целесообразно заменить разработанным ВНИМИ способом, который предусматривает механизированную погрузку массы из выемки произвольной формы. Выемка в разных частях навала создается экскаватором или погрузчиком. Одновременно отбирают пробы для определения зольности Ad и влажности Wd. Вынутую массу загружают в транспортные средства, которые взвешивают загруженными и порожними. Объем выемки определяется по результатам маркшейдерской съемки. Эффективны съемки безреечным дальномером и стереофотограмметрическим методом. Обработка результатов и вычисления объемов автоматизированы посредством известных компьютерных программ. Для повышения точности оценки плотности разрыхленного угля целесообразно проводить большое количество определений с 39 учетом распределения угольной массы по кусковатости, зольности, влажности. Статистические данные о р, Ad, Wd позволяют использовать полученные зависимости для косвенной оценки р. Например, М.И.Глейзером установлено, что для склада челябинского бурого угля рядовой и крупной кусковатости р = 0,80 + 0,0046Ad, а для крупного сорта р = 0,73 + 0,0046Ad (при Wd = 1112 %). В зависимости от времени отсыпки и в связи с выветриванием угля на поверхности навала пробы желательно отбирать с глубины более 0,5 м. Чтобы учесть влияние уплотнения в зависимости от высоты навала, технологии формирования и сроков хранения угля на складе, необходимо проводить целенаправленные определения фактической плотности в разные периоды формирования штабеля. ВНИМИ рекомендует такие поправки за уплотнение угольной массы в зависимости от времени отсыпки при сухой (числитель) и дождливой (знаменатель) погоде: Время, мес Поправка, т/м3 До 1 0,02/0,04 2 0,03/0,05 6 0,04/0,06 Более 12 0,08 Уплотнение бульдозером сказывается до глубины 0,5 м от поверхности навала. Влияние глубины (высоты штабеля) начинается, по В.А.Боеву, с 2 м. Эту особенность иллюстрируют результаты, полученные для штабеля полуантрацитов Восточного Донбасса [3]: Глубина, м р, т/м3 0,1 1,44 0,25 1,41 0,5 1,4 0,75 1,4 1 1,4 2 1,403 3 1,41 4 1,412 5 1,43 В связи с неравномерностью уплотнения разрыхленного угля с разной кусковатостью при механизированной утрамбовке средняя квадратическая ошибка одного определения р, по [3], составила 0,07 т/м3. Чтобы обеспечить точность определения средней плотности 0,03 т/м3 (Д.А.Казаковский, М.И.Глейзер), необходимо провести не менее пяти вырубок объемом 1 м3 каждая. Периодичность определения плотности разрыхленного угля на практике устанавливается вышестоящей организацией с учетом технологии складирования, сроков хранения и т.д. Целесообразно учитывать также нормативно-методические рекомендации. Опыт40 ным путем устанавливается изменчивость р, которая оценивается коэффициентом вариации. Если коэффициент вариации как относительный стандарт отклонения не превышает половины допустимой погрешности, то средняя р определяется один раз в полугодие. При высокой изменчивости, когда коэффициент вариации плотности для склада превышает допустимую погрешность, определение плотности проводится не реже одного раза в квартал. Для небольших складов, которые не превышают 20 % месячной добычи, плотность разрыхленного угля определяется один раз в полугодие. 2.6.2. Коэффициент разрыхления Степень разрыхления угольного массива при отработке пластов и добыче угля оценивается с помощью коэффициента разрыхления Kр. Значение Kр используется в технико-экономических и технологических расчетах, а также для оперативного определения плотности разрыхленного угля р : р = м /Kр, где м – кажущаяся плотность угля в массиве (целике). Наиболее распространенным и представительным способом определения Kр является установление отношения объемов угля в массиве Vм и в разрыхленном состоянии Vp : Kр = Vp /Vм . Объемы измеряют по результатам инструментальных съемок, методика и точность которых лимитирована инструкциями по маркшейдерским работам. На открытых разработках методы съемки и определения объемов зависят от технологии буровзрывных и экскаваторных работ. При распространенном взрывании на буфер (остатки неубранной горной массы предыдущей заходки) расчеты ведут по формуле Kр = Vp /Vм + (Vp.о /Kр.о), где Vp.о и Kр.о – объем и коэффициент разрыхления остатков разрыхленной массы. По предложению Д.А.Казаковского, Kр можно определять с использованием железного ящика размером 1 1 1 м или вагонетки с точно установленным объемом. Такие сосуды полностью заполняют раздробленным свежедобытым углем, затем добавляют дозированный объем воды. Расчет Kр ведется по формуле Kр = V/(V – V), 41 где V – объем воды, израсходованной на заполнение ящика (вагонетки); V – объем угля в емкости. На практике используют и другой способ. Сосуд (ящик, вагонетку), полностью заполненный водой, загружают углем до верхнего края. Одновременно замеряют объем вылившейся воды V1. Тогда V = V – V1, а вычисление Kр ведется по приведенному выражению. Для угольной массы, утратившей естественную влажность, такой способ определения Kр дает несколько завышенные результаты из-за увеличенного расхода воды на заполнение пор. Коэффициент разрыхления Kр можно определить обратным расчетом по установленной фактической плотности угля в разрыхленном виде р и в массиве м: Kр = м /р. Необходимо использовать статистические данные о м и р. При разной зольности и влажности угольной массы на складе (товарного угля) Атd , Wтd и угля в массиве Амd , Wм расчет можно вести по выражению [3] Kр 100 Wм 1 м 0,01 Aтd Aмd . р 100 Wт Ориентировочное значение Kр для рядового угля 1,5, при открытой добыче – 1,48; для мелкого (5 мм) – 1,6. Коэффициент Kр наименьший, а р наибольший, если раздробленный уголь на 40-50 % представлен мелкой (1-5 мм) фракцией. В этом случае транспортные емкости и бункеры заполнены наибольшим количеством угля. 2.6.3. Гранулометрический состав Качество угля, его сортность по размеру кусков определяется в забое для отбитой угольной массы, на складе и при подготовке к обогащению. Для характеристики кусковатости проводится определение гранулометрического состава, оцениваемого содержанием в процентах кусков разной крупности. Среди многих методов [2, 4] наибольшее применение имеют измерения разных размеров кусков на поверхности развала горной массы. Планиметрическим методом предусматривается измерение площади проекции кусков в пределах 42 правильного по форме шаблона размеd11 l11 ром 1 1 м с ячейкой 0,2 м. Контуры d10 кусков более 20 см зарисовываются на l10 миллиметровке с учетом положения в d9 l9 ячейке. Суммарная площадь кусков разной крупности, отнесенная к площади шаблона, определяет содержание каждоd8 l8 го класса. Этот трудоемкий способ заменяется фотосъемкой с выставлением на навале рейки (или шаблона) для масштаd7 l7 L ба. Измерение площади проекции кусков d6 ведется планиметром или палеткой. Исl6 кажения снимка учитываются известныl5 d5 ми из фотограмметрии способами. Точность определения гранулоd4 l4 метрии и производительность оператора d3 l3 повышаются при проведении стереофотограмметрической съемки и использоd2 вании современных полевых и камеl2 ральных приборов и компьютерных техd1 l1 нологий обработки результатов съемки. Этот метод рассмотрен в справочной и учебной литературе по фотограмметрии Рис.3. Схема измерений и маркшейдерии. гранулометрического На практике широко используетсостава при изучении ся более простой способ линейных измекусковатости горной массы рений размеров кусков в натуре и по снимкам по поперечникам, направленным поперек и вдоль навала. Замеры в натуре проводят рулеткой (метром, рейкой) с точностью 5 см; расстояние между створами зависит от размера навала и равномерности кусковатости (на открытых разработках угля оно составляет 10-20 м). Вдоль намеченного створа измеряют размер куска li (рис.3) и заносят в подготовленную таблицу (табл.1) в соответствующий класс крупности, устанавливаемый по наибольшему измеренному размеру кусков di. Для мелкой кусковатости (0-20 см) измеряется длина всего интервала их скопле43 ния. В общем случае li di. По суммарной длине всех кусков li разных классов и длине створа L вычисляют выход соответствующего класса. Размер среднего куска вычисляется как средневзвешенное из суммы произведений среднего значения класса крупности на соответствующий выход, поделенной на 100 %. Таблица 1 Подсчет гранулометрического состава при изучении кусковатости горной массы Класс крупности di, см 0-20 21-40 41-60 61-80 81-100 101-120 121-140 >140 li, см li, см Выход li / L, % l7 l11 l5 l3 l4 l9 l2 l10 l1 l6 l8 – l7, 11 l7, 11 / L l5 l3, 4, 9 l5 / L l3, 4, 9 /L l2, 10 l2, 10 /L l1 l6 l8 – l1/ L l6 / L l8 / L – Наиболее детально гранулометрический состав углей определяется при ситовом грохочении с отверстиями, мм: более 150, 150-100, 100-50, 50-25, 25-13, 13-6, 6-3, 3-1, 1-0,5, менее 0,5. По массе угля этих классов крупности, поделенной на массу пробы, вычисляется выход класса. Материал каждого класса опробуется на зольность и влажность. Ситовый анализ чаще всего проводится для эксплуатационных проб массой более 500 кг. Последняя зависит от кусковатости и зольности угля. Метод ситового анализа стандартизирован (ГОСТ 2093-82). Гранулометрический состав определяется также для природной блочности угля в массиве. Гранулометрия блочности отражает 44 естественные свойства пласта, предопределяющие качество угля, его сортность по кусковатости. Поэтому показатели природной блочности и трещиноватости являются квалиметрическими характеристиками угольных пластов. Наиболее распространенным методом определения блочности угля в массиве являются массовые замеры угловых и линейных параметров трещиноватости, образующей естественные блоки. Целенаправленное изучение трещиноватости и природной блочности проводится по обнажениям или по принудительно обрушенному навалу. Последний на практике образуется при сотрясении добычных уступов, проводимом, например, на экибастузских углеразрезах для последующей роторной экскавации. Значительные преимущества при изучении природной блочности, особенно на открытых разработках, имеет крупномасштабная геологическая фотодокументация цифровой камерой с обработкой на ПК по адаптированной программе Map Info. Масштабированный снимок, полученный с минимальными метрическими искажениями из-за перспективности и «рельефа» обнажения, при достаточно высокой степени дешифрирования трещин и ограниченных ими блоков позволяет получить надежную и большого объема информацию о размерах блоков и частоте трещин. Методика ведения такой фотодокументации разработана ВНИМИ и изложена в работе [11]. Данные о частоте трещин и их раскрытии позволяют судить о трещинной емкости (пустотности), что необходимо при изучении газои водоносности угольных пластов и пород. Раскрытие трещин из-за искажения горными работами целесообразно изучать по скважинам. 45 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОСТАВА И СВОЙСТВ УГЛЯ Промышленно-потребительские свойства углей напрямую связаны с вещественно-петрографическим составом и степенью его преобразования при углефикации и метаморфизме. Ископаемые угли состоят из органического материала – горючей части, негорючих минеральных примесей (балласта) и влаги. Эти составляющие представляют собой сложную петрографическую ассоциацию обугленной органической массы и минерального материала. Их количественное соотношение обуславливает состав и свойства угля. 3.1. Органический материал. Метаморфизм угля Органический материал представлен, в первую очередь, остатками разного вида растений. Большинство ископаемых углей являются гумусовыми (гумолитами) и образованы из наземных высших растений. Из водорослей и зоопланктона сформированы редко встречаемые сапропелевые угли. Среди гумолитов выделяют гумиты, которые образованы за счет лигнитоцеллюлозных тканей растений, и липтобиолиты, сформированные из кутикулы, спор, пробковой ткани, смолы. Имеются смешанные виды углей. Органическое вещество представляет собой сложное высокомолекулярное химическое соединение углерода, водорода, кислорода, серы, азота и других элементов. В составе углей присутствуют также тонкодисперсные минеральные примеси, а также минеральные образования в виде агрегатов и кристаллов. Петрографический состав органического материала характеризуется соотношением макроскопически различаемых компонентов (ингредиентов): витрена, фюзена, кларена, дюрена, – а также микрокомпонентов (мацералов), представленных вещественно-петрографическими группами: витринита Vt (гелифицированное вещество); фюзинита F или инертенита J (фюзенизированные компоненты); липтинита L (липоидные компоненты); промежуточных между Vt и F: семивитрита Sv и семифюзинита Sf. Есть более детальное микроскопическое разделение компонентов. Макрокомпоненты витрен 46 и фюзен – это однородные по строению составляющие; а кларен и дюрен – комбинация первых и минерального материала. Углепетрографические компоненты отличаются химическим составом и физическими свойствами, что и обуславливает промышленно-потребительские свойства углей. Например, при одинаковой степени метаморфизма компоненты группы Vt отличаются повышенным содержанием кислорода, группы F(J) – углерода; группы L – водорода. Количество летучих веществ и спекаемость снижаются в ряду L – Vt – F(J). Витринит отличается повышенной прочностью; фюзенизированные, первично обугленные компоненты, напоминающие древесный пористый уголь, достаточно хрупкие, чаще встречаются в виде примазок, небольших линз и прослоев (редко образуют пласты). Соотношение органических компонентов Vt, F(J), L и минеральных примесей М, а также их взаимное расположение в пласте обусловлены исходным растительным материалом, условиями накопления и преобразования при углефикации и метаморфизме. С другой стороны, отмеченные особенности определяют макродиагностические признаки литотипа угля: его блеск, излом, трещиноватость, сложение. Витреновые угли – блестящие, простые по составу, клареновые имеют сложный состав: Vt 65(75) %, F(J) 25 %; полублестящие дюреноклареновые угли с Vt = 6575 %, F(J) = 2540 %; полуматовые кларенодюреновые угли Vt = 4560 %, F(J) = 4055 %, матовые дюреновые угли с Vt 45 %, F(J) 40(55) %. В дюреновых углях содержится значительное количество L, F и М; при преобладании F – это фюзеновый дюрен (класс фюзенолитов); при преобладании L – липтинитовый дюрен (класс липоидолитов). При преобладании компонентов группы витринита (Vt 65 %) угли относятся к классу гелитолитов; без значительного преобладания компонентов – к классу микстогумолитов. Фюзенолитовые угли отличаются хрупкостью, невысокой плотностью и редкой трещиноватостью; липоидолиты – повышенной вязкостью и прочностью с относительно редкой трещиноватостью; гелитолитовые угли весьма трещиноваты и относительно невысокой прочности. Для практических задач квалиметрии и горно-промышленной геологии достаточно в петрографической характеристике угля ука47 зывать его общие текстурно-структурные особенности: полосчатость, штриховатость, однородность; например: «дюренокларен полублестящий, штриховатый». В процессе углеобразования исходный растительный материал претерпевает значительные биохимические и физико-химические преобразования при накоплении в водной среде, захоронении среди осадков и последующем воздействии давления, диспергировании, коллоидообразовании и т.п. Значительное влияние на свойства и качество углей оказывают процессы первичного восстановления (окисления) органики в водно-химической среде при накоплении и начальной углефикации. Влияние восстановленности особенно заметно при одинаковом составе и степени метаморфизма. Например, восстановленные витринитовые угли в большей мере спекаются и коксуются, чем невосстановленные разности, имеют повышенное содержание углерода, летучих веществ и теплотворную способность. При углефикации торфа в бурый уголь и последующем метаморфизме и образовании каменного угля и антрацита изменяются вещественный состав и промышленно-потребительские свойства. В этом ряду изменений увеличиваются количество углерода, плотность, теплотворная способность, микротвердость и снижаются содержание водорода, кислорода, влаги и выход летучих. Петрографический состав бурого угля, сформировавшегося к концу стадии диагенеза, далее практически не изменяется в каменном угле и антраците. При метаморфизме в результате давления и воздействия тепла в бурых углях происходят структурно-молекулярные и химикофизические преобразования. Изменение химического состава, физико-механических и технологических свойств в ряду стадий метаморфизма имеет неравномерный характер. Плавность изменения выхода летучих, теплотворной способности, твердости, прочности, степени трещиноватости нарушается в углях средней (IV-VI) стадии метаморфизма. Стадии метаморфизма чаще всего определяются по изменению содержания углерода, выхода летучих, теплоты сгорания, показателям спекаемости; для бурых углей – дополнительно по естественной влажности; для антрацитов – по механической прочности. 48 , d, т/м3 vр, км/с d 1,5 3 1,4 2 1,3 1 I II III IV V VI VII VIII 1,2 I II III IV V VI VII VIII с , МПа Е 10-5, МПа 3 1,2 2 0,8 1 0,4 0 0 I II III IV V VI VII VIII 0 I II III IV V VI VII VIII Рис.4. Изменение скорости ультразвука vp, плотности d, , упругости Е и прочности с в углях разной стадии метаморфизма (составлена автором по опубликованным и собственным данным) В связи с разной разрешающей способностью отмеченных показателей оценку степени и стадий метаморфизма рекомендуется вести по отражательной способности витринита Ro. Для буроугольной стадии (индексы 01-03, марки угля Б1-Б3) Ro = 0,30,49 %; для каменноугольной (I-VI, марки Д-Т) Ro = 0,502,39 %; для антрацитовой (VII-X, марки ПА-А) Ro = 2,44,5 % и более. Отмеченные данные о составе и свойствах органической части углей используются для систематизации и промышленной классификации с выделением технологических марок и групп, которые опосредственно свидетельствуют о стадии метаморфизма. Закономерности изменения свойств углей при углефикации и метаморфизме показаны на обобщенных графиках рис.4. 49 3.2. Минеральные примеси. Зольность Количество и состав минеральных примесей являются одним из главных показателей промышленно-потребительских свойств ископаемых углей, представляющих собой петрографическую ассоциацию органического и минерального материала. Последний представлен главным образом соединениями Si, Al, Fe, Ca, Mg, S и других элементов, входящих в состав глинистого материала, полевого шпата, кремния, сульфидов, карбонатов (кальцита, сидерита, доломита) сульфатов (гипса и др.). Выделяются неорганический материал, входящий в состав растений и механических примесей в торфе, а также биохимические и физико-химические образования в виде минеральных агрегатов, конкреций и кристаллов зерен в угле, возникших при углефикации и метаморфизме. Минеральный материал, кроме того, слагает породные прослои и линзы, чередующиеся с угольными пачками. Все эти неорганические составляющие определяют количество золы. Поскольку при определении количества золы сжиганием часть неорганических соединений, разлагаясь, улетучивается, содержание золы бывает ниже количества минерального вещества. Несгораемая масса, абсорбированная или химически связанная с органическим веществом, или присутствующая в виде тонкодисперсных частиц, образует внутреннюю (материнскую) золу. Внутренняя зола «чистых» углей обычно не превышает 8 % и практически не удаляется при обогащении. Если минеральные примеси в органической массе представлены тонкодисперсным материалом и достигают нескольких десятков процентов, угли переходят в углистые породы. Минеральный материал разных видов включений в угольных пачках, породные прослои и вовлеченные в добычу вмещающиеся породы образуют внешнюю золу. Эта зола поддается удалению при обогащении. Минеральный состав негорючей массы углей предопределяет химический состав и технологические свойства золы, а также ее промышленную ценность как дополнительного сырья. Зола считается кремнистой, если количество SiO2 = 4070 %, глинистой – при Al2O3 = 3045 %, железистой – при Fe2O3 20 %, известковой – при CaO = 2040 %. 50 Сера содержится в минеральной и органической массе в виде сульфидных, сульфатных и органических соединений, очень редко в самородном (элементном) виде. Наиболее распространен сульфидный (пиритный) вид серы, входящий в состав пирита, марказита и других природных сульфидов, представленных мелкими кристаллами, зернами, конкрециями, псевдоморфозами, прожилками (примазками). В высокосернистых углях ее содержание достигает 6 %. По Л.Фермору, содержание пиритной серы Sп = 0,74, органической Sо = 0,38. Содержание сульфатной серы не превышает 0,5 %; повышенное ее количество характерно для окисленных и выветрелых углей, что проявляется в виде гипсовых налетов и прожилков. Понятие «органическая» сера неодназначно определяется углепетрографами. Содержание пиритной и органической серы снижается с ростом степени метаморфизма. Например, в донецких углях марки Д Sп = 2,9 %, So = 2,3 %, марки А соответственно 1,4 и 0,8 %. Содержание общей серы в Донецком, Подмосковном и Кизеловском бассейнах составляет 3-6 %; в Иркутском 8-10 %; малосернистые угли добывают в Канско-Ачинском, Южно-Якутском бассейне и в ряде районов Кузбасса. Форма проявления природных соединений серы (рассеяная, агрегаты, зерна и т.д.) влияет на обогатимость (обессеривание) угля. Влага является неотъемлемой природной составляющей ископаемых углей и во многом предопределяет их промышленные свойства. Влажность зависит от петрографического состава, степени метаморфизма, зольности углей, залегания и нарушенности угольного пласта, осушенности массива. Постоянно и тесно связана со структурой минерального и органического материала угля кристаллическая (гидратная) и пирогенетическая влага, содержание которой сохраняется при стандартных условиях оценки влажности угля. Влага воздушно-сухого топлива является гигроскопической и абсорбируется углем в зависимости от пористости, состава и строения конкретного угля, являясь для него относительно постоянной величиной. В бурых углях общая влага рабочего топлива Wt r = 1740 % (в углях марки Б1 – до 60 %), в каменных 16-3 %, в антрацитах 4-6 %. Влажность воздушно-сухого угля (внутренняя влажность Wh) изменяется в зависимости от степени метаморфизма, %: 51 Б1 10-13 Б3 6-10 Д-Г 4-5 Ж-ОС 1-1,5 А 3-5 Наиболее влажными являются блестящие клареновые угли, менее – дюреновые. Влажность угольных пластов выше, чем влажность вмещающих пород. 3.3. Парагенетические связи состава и свойств угля. Корреляционный анализ Вопросы парагенеза показателей качества и свойств угля рассматриваются во многих углепетрографических и углехимических исследованиях. Общие закономерности связей вещественнопетрографического состава и свойств угля отражаются следующими зависимостями: – зольность угля зависит от микрокомпонентного его состава, количества, вида и состава минерального материала, а зольность пласта – от соотношения мощности угольных пачек и породных прослоев; – теплотворная способность – от петрографического состава, особенно от соотношения органического и минерального материала, степени метаморфизма и влажности; – выход летучих и показатели спекаемости – от петрографического состава органической массы, зольности, степени метаморфизма, первичной окисленности (восстановленности); – плотность – от состава, степени метаморфизма, глубины залегания; – кусковатость угольной массы – от состава, метаморфизма, трещиноватости, физико-механических свойств; – самовозгораемость – от состава, метаморфизма, трещиноватости, нарушенности и др. Для решения практических задач маркшейдерско-геологического обеспечения наибольшее значение имеют: зависимость плотности угля от состава, степени метаморфизма и влажности; изменение плотности с глубиной, выветриванием, тектонической дислоцированностью; связь плотности с физико-механическими свойствами. Рассмотрим ряд изученных нами зависимостей. 52 3.3.1. Связь плотности с составом Петрографическим составом органической части углей предопределяется их плотность. Многочисленными исследованиями установлено, что плотность компонентов группы липтинита в углях марки Б-Д равна 1,15-1,20 г/см3, витринита 1,33 г/см3, фюзинита – более 1,40 г/см3. Различное количественное соотношение углеобразующих компонентов разной плотности определяет плотность углей разных петрографических типов. Различие плотности углей разного петрографического состава особенно заметно при невысокой степени метаморфизма. Плотность витреновых (В) и клареновых (К) углей наименьшая; наиболее плотные и тяжелые угли дюранового (Д) и фюзенового (Ф) типа, в природе они отличаются повышенной зольностью. Данные закономерности сохраняются в ряду стадий метаморфизма, что иллюстрируется усредненными значениями плотности (табл.2) [9]. Таблица 2 Действительная плотность петрографических типов угля, г/см3 Марка угля Д Г Ж К А Индекс литотипа угля В К Д-К К-Д Д Ф 1,36 1,28 1,27 1,27 - 1,36 1,28 1,26 1,70 1,37 1,28 1,27 1,27 - 1,37 1,29 1,28 1,28 - 1,37 1,32 1,29 1,28 - 1,42 1,44 1,54 1,40 1,70 В то же время необходимо отметить значительное уменьшение различия плотностей углепетрографических компонентов в высокометаморфизованных углях. На фоне общего закономерного возрастания плотности с увеличением степени метаморфизма наблюдается резкий перегиб и рост графика изменения плотности при V daf 10 %. При V daf = 46 % плотность d = 1,221,25 г/см3, при V daf = 10 % плотность d = 1,281,32 г/см3; при более высокой степени метаморфизма d воз53 Плотность d, , т/м3 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Зольность Аd, % Рис.5. Зависимость действительной (точки) d и кажущейся (крестики) плотности от зольности Аd для угольных пластов Экибастузского месторождения. Сплошная линия – аппроксимирующая функция растает до 1,7 г/см3. Закономерности изменения действительной и кажущейся плотности ископаемых углей отражены на рис.5. Минимальная плотность свойственна коксовым и жирным углям, что связано с большим количеством мелких пор. Повышенная плотность углей марки Д-Г обусловлена высоким содержанием кислорода [7]. Для углей марки Т-А высокая плотность связана с плотной упорядоченной внутренней структурой кристаллической решетки. Пониженная кажущаяся плотность бурых углей вызвана повышенной пористостью и влажностью. 54 По мере роста степени метаморфизма и в связи с уплотнением угольного вещества происходит сближение значений действительной и кажущейся плотностей. Известное увеличение степени метаморфизма с глубиной закономерно отражается на росте плотности. Это положение позволяет с учетом тесной связи показателей метаморфизма (V daf, Ro) с глубиной прогнозировать плотность углей для пластов, залегающих в массиве. В первом приближении для оценки плотности можно использовать градиент плотности с углублением на 100 м. Например, в Прокопьевско-Киселевском районе, по данным КузНИУИ, градиент плотности для витреновых углей составляет 0,010,02 г/см3 при градиенте выхода летучих 1,01 %. Для Интинского месторождения влияние глубины залегания H на кажущуюся плотность описывается, по А.М.Оллыкайнену, прямолинейной зависимостью = 1,35 + 0,0003H. Градиент изменения на 100 м составляет 0,03 г/см3 при А d = 20 %, W e = 10 %. Изменение в плане обусловлено тектонической структурой месторождения. Например, в Печорском бассейне зональность изменения согласуется с зонами изометаморфизма, отображенными изоволями. На Интинском месторождении плотность прямо связана с положением по простиранию и по падению складчатой структуры; градиент плотности на 1 км в плане составляет соответственно 0,008 и 0,007 г/см3. Плотность угля зависит не столько от петрографического состава органического материала, сколько от соотношения с минеральными примесями, количество которых оценивается зольностью. Зависимость плотности от зольности, имеющая практическое значение, математически отображается уравнением Л.Фермора, применимым для углей с А d 30 %: dy = do + 0,01Ayd , где do и dy – действительная плотность органической массы и угля с зольностью А d. Но для определения do необходимо проводить сложные петрографические исследования плотности и содержания минеральных примесей. Упрощенный расчет do можно вести по формуле ДонУГИ: d do = dy – 0,01A d – 0,012 S общ . Подобная форма связи плотности и зольности подтверждена многочисленными результатами забойного и товарного опробования 55 и включена в нормативные документы для практического определения кажущейся плотности угля у по формуле у = о + KAyd , где о – кажущаяся плотность беззольного угля; K – эмпирический коэффициент, отражающий изменение плотности при изменении зольности на 1 %; Ayd – зольность пласта. Для расчета у можно использовать полученные разными исследователями значения о и K для конкретных бассейнов (табл.3). Таблица 3 Показатели о и K для различных бассейнов Бассейн Днепровский Подмосковный Челябинский Кизеловский Черемховский Печорский Карагандинский Марка угля о, г/см3 K Б1 Б2 Б3 Г Ж Г Ж К 1,07 1,05 1,25 1,26 1,21 1,22 1,22 1,32 0,005 0,01 0,007 0,005 0,008 0,007 0,008 0,009 В Кузбассе связь плотности и зольности представлена такими уравнениями [12]: для Кемеровского района у = 1,236 + 0,011Ayd , коэффициент корреляции r = 0,93; для Анжерского района у = 1,22 + + 0,015 Ayd , r = 0,91. Для высокозольных углей рекомендуется K = 0,02. Проверка точности аналитического определения плотности угля в массиве по приведенным зависимостям показала [4], что в условиях Подмосковного, Печорского и Челябинского бассейнов расхождение с результатами по методу пробной вырубки составило в среднем 0,015 г/см3. При этом необходимо подчеркнуть, что линейная связь и A d установлена для малозольный углей с A d 30 % (в Донбассе, по [3], до 25 %). Прямолинейная зависимость (d) от A d Д.А.Казаковским, М.И.Глейзером и другими конкретизирована с учетом состава и 56 свойств угля, а также способа определения плотности. Важно исключить трудоемкое определение плотности органического вещества (do, о), поэтому широкое распространение получил способ расчета плотности угля в массиве по результатам гидростатического d взвешивания образцов: у = обр + K ( Ayd Aобр ) + , где обр – средняя d плотность угля с Aобр для образцов; – поправка за сернистость и примешиваемую породу. При разной влажности пласта W r и образца r r в формулу вводится поправка m(W r – Wобр ). Wобр Влияние серы на качество и свойства углей при разном ее проявлении в виде сульфидных, сульфатных соединений, самородных образований и т.д. трудно поддается учету, если не проводятся специальные исследования. Сера не в полном объеме является золообразующим веществом, часть ее выгорает и улетучивается при сжигании. Поэтому по зольному остатку нельзя оценить количество серы и ее влияние на плотность. В то же время плотность серы 1,92-2,07 г/см3, пирита 5,0 г/см3, что значительно превышает плотность органической массы. В пределах месторождений содержание серы может меняться (например, в Донбассе) на 5 %, а плотность угля на 0,03 г/см3. Установлено, что в углях марки К-Т увеличение содержания общей серы на 1 % повышает плотность на 0,006 г/см3; в интинских углях – на 0,01 г/см3. При увеличении содержания пирита на 1 % плотность угля увеличивается на 0,02-0,04 г/см3. Корректировка плотности за сернистость проводится одновременно с поправкой за зольность. При криволинейной зависимости [3] поd правка составляет 0,43Sобр ; В.М.Буцем для Донбасса предлагается d прямолинейная зависимость: = о + 0,01A d + 0,006 Sобр . В высокозо- льных углях сернистость целесообразно определять параллельно с определением плотности, зольности и влажности. Для сложноструктурных пластов лабораторные исследования образцов на , A d, W r проводятся для всех пачек и прослоев. В результате заметно повышается трудоемкость определения средней плотности пласта. При этом необходимо стремиться, чтобы значения A d, W r образца и массива были близкими. Рассмотренный 57 способ определения плотности в массиве по лабораторному ее определению на образцах целесообразно считать комбинированным, а не полностью аналитическим. Как показали наши исследования и работы других авторов (В.А.Боев, Г.Л.Фисенко), прямолинейная связь с A d пригодна для мало- и среднезольных углей (по данным ДонУГИ, A d 40 %) для пластов простого строения. При зольности более 40 % график связи (d) c A d имеет криволинейную форму. Криволинейная зависимость плотности от зольности получена для широкого диапазона непрерывного изменения A d практически для всех месторождений с пластами сложного строения. Это установлено исследованиями разных организаций в Донецком, Кузнецком, Печорском, Челябинском Экибастузском, Иркутском и других бассейнах и месторождениях. Изучение закономерностей связи плотности и зольности наиболее актуально при открытой разработке мощных угольных пластов, как правило, сложных по строению. На ряде месторождений (Экибастузское, Бикинское, Богословское, Коркинское и др.) мощные пласты состоят из многих десятков переслаивающихся угольных пачек и породных прослоев, что обуславливает широкий диапазон непрерывного изменения пластовой зольности. Необходимость определения среднепластовых значений качества и свойств продиктована еще и технико-экономической целесообразностью валовой отработки пластов. Оценка среднепластовых показателей требует оперативности, так как добываемая угольная горная масса имеет предельную нормативно-потребительскую характеристику и возникает необходимость селективной отработки конкретной заходки. Для изучения и математического описания зависимостей плотности от зольности в широком диапазоне изменения Ad (до 95 %) нами были использованы результаты дифференциального опробования и материалы публикаций для многих угледобывающих предприятий. Результаты сопоставления действительной и кажущейся плотности с зольностью показали криволинейную форму связи (рис.5). Для математического описания этой связи были использованы прямолинейная, степенная, обратная, показательная, полиномиальная функции. 58 Результаты корреляционного анализа, выполненного с помощью ПЭВМ, показали высокую степень аппроксимации квадратичной, обратной и степенной функций. Для большой группы месторождений (Экибастуз, Богословское, Коркинское, Черемховское и др.) корреляционное отношение составляет 0,93-0,99. При описании эмпирических данных обратной и квадратичной функций достигается одинаковая точность. При аппроксимации прямолинейной функцией ошибка определения плотности составила 0,03-0,13 г/см3, что превышает допустимую норму. Прямолинейная функция не приемлема для описания изучаемой связи в широком диапазоне зольности. При математическом описании связи и d с A d для Ольжерасского, Томусинского, Сибиргинского, Шуштулепского, Алардинского и Листвянского месторождений Кузбасса (угли марки К-Т, ПА) получена высокая степень аппроксимации квадратичной и показательной функциями: корреляционное отношение в среднем 0,93 (колебание 0,85-0,99). Точность аппроксимации 0,014-0,14 г/см3. Физической сути изучаемых связей в наибольшей мере отвечают обратные функции вида d = do /(1 – K1A d); = о /(1 – K2A d), где do и о – действительная и кажущаяся (объемная) плотность угля с A d = 0 % (органический материал); K1 и K2 – эмпирические коэффициенты, соответствующие изменению d и при изменении A d на 1 %. Надежность аппроксимации этими уравнениями очень высокая, в ряде случаев близка к функциональной. С целью контроля вычислялись относительные отклонения фактических и расчетных значений плотности. Среднее отклонение составило 2,6 %, что ниже ошибки определения запасов (5 %). Уравнения и графики связи плотности с зольностью отражают также влияние метаморфизма. Из рис.6 видно, что для бурых углей Днепровского и Подмосковного бассейнов графики 1 и 2 (марки Б1 и Б2) занимают самое низкое положение, а графики 5 и 6 (марки Г-Ж и К) – высокое. В то же время имеет место индивидуальность значений K1, K2 и do, о, которая связана с составом углей. Например, среди углей марки Б3 самую низкую действительную и кажущуюся плотность органического материала (dо = 1,37 и = 1,18 г/см3) имеют гелитолитовые угли Азейского и Тулунского 59 месторождений, а наибольшая (dо = 1,46 г/см3) свойст4 венна фюзинитовым углям 3 Ангрена. В то же время ка2 1,8 жущаяся плотность этих углей самая низкая (о = 1,4 1 = 1,15 г/см3) из-за высокой пористости фюзенитовых 1,0 компонентов. 0 20 40 60 80 A d, % Надежная аппроксимация обратной функцией Рис.6. Зависимость кажущейся плотности получена нами для углей от зольности Аd для Днепровского (1), ряда районов Донбасса с исПодмосковного (2) бассейнов, Богословского (3), пользованием опубликованБерезовского (4), Томусинского (5), ных данных И.А.Гаркаленко, Экибастузского, Ткибульского (6) месторождений А.З.Горина и др. Для Красноармейского района о = 1,17 г/см3, K2 = 0,0062, для Пролетарского о = 1,25 г/см3, K2 = 0,0065, для Восточного Донбасса о = 1,60 г/см3, K2 = 0,0043. Такой же вид уравнения получен В.А.Боевым для углей Красногвардейского района. , т/м3 2,2 6 5 3.3.2. Зависимость плотности угля в массиве от влажности Влияние влажности на плотность угля неоднозначно. При расчете плотности угля в массиве по результатам определения плотности и влажности образцов в лаборатории используются известные формулы М.И.Глейзера и Д.А.Казаковского [4]. Поправка вводится со знаком «плюс», если влажность образца выше влажности угля в массиве, и наоборот – со знаком «минус», если образец менее влажный. Физическим обоснованием может служить разное насыщение водой пор конкретного угля. Однако в условиях естественного залегания пластов горный массив полностью водонасыщен, а влажность угля равна полной его влагоемкости. Поэтому по многочисленным материалам забой60 ного опробования нами установлена обратная связь плотности угля в массиве и естественной влажности. Плотность угля в естественном состоянии как масса единицы объема равна массе угольного вещества (твердой фазы) и воды, заполнившей поры, поэтому = (1 – Kп)d + Kпв, где Kп – коэффициент пористости, доли единицы, для многих каменных углей равен 0,04-0,18; d – плотность твердого вещества (скелета), равная действительной плотности угля, г/см3; в = 1 – плотность воды, г/см3. Отсюда следует, что с ростом пористости Kп и влажности Kпв естественная плотность уменьшается для конкретного угля с постоянным d. Например, при d = 1,3 г/см3 и Kп = 10 % плотность угля = 1,27 г/см3, а при Kп = 30 % плотность = 1,21 г/см3, т.е. зависимость плотности от влажности обратная. Это положение подтверждается результатами проведенного нами корреляционного анализа фактических данных [5] для литотипов угля Ткибульского месторождения (рис.7). При этом имеет место устойчивая прямая связь пористости и влажности. Обратная форма связи и W e получена также при обработке результа- , г/см3 УГП тов опробования, приведен2,0 ных в справочной литературе, по качеству и свойствам углей 1,8 УМ Печорского и Кузнецкого бассейнов [12]. 1,6 Отмеченная закономерность подтверждена Л 1,4 Г нашими исследованиями углей разного петрографического класса Ангренского буро1,2 угольного месторождения. 4 6 10 W e,% 8 Например, для фюзенолитов Рис.7. Зависимость плотности пласта Мощного получено от естественной влажности W e = 1,98 – 0,02W (в интервале гелитолитовых (Г) и липоидолитовых (Л) W = 2638 %); в гелитолитах углей, углистых пород (УГП) пластов Верхнего комплекса и минерализованных углей (УМ) Ткибульского месторождения (Грузия) плотность снижается от 1,25 61 до 1,05 г/см3 при росте W от 16 до 26 %. В ряду стадий метаморфизма подобная связь отмечается в работах [7, 9]. Обратная связь и W е получена некоторыми исследователями также и для пород. Опосредованным доказательством обратной формы рассматриваемой связи является широко известная обратная зависимость плотности и пористости П, которая, в свою очередь, пропорциональна количеству влаги насыщения (естественной влажности). Приведенные данные свидетельствуют, что и W однотипных углей в естественном состоянии находятся в обратной связи: более влажный и пористый уголь менее плотный по сравнению с менее влажной и менее пористой его разновидностью. При естественных гидрогеологических условиях (массив не осушен) кажущаяся плотность угля, его пористость и заполняющая поры влага закономерно связаны друг с другом. Поэтому при корректировке запасов конкретного пласта в связи с изменением естественной влажности W2, отличающейся от ранее принятой W1, необходимо исходить из обратной связи плотности угля в массиве с естественной его влажностью. Поправку W2 – W1 при расчете 2 необходимо вводить со знаком «минус». 62 4. ОПЕРАТИВНАЯ ОЦЕНКА ПРОМЫШЛЕННО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УГЛЯ Оперативная оценка показателей качества и свойств угля (в короткий срок, без традиционного опробования и лабораторных испытаний) необходима для решения практических задач эксплуатации. Такой способ предусматривает использование, в первую очередь, математически описанной корреляции показателей с различными, легко изучаемыми характеристиками угля, а также экспрессные способы испытаний. 4.1. Зольность Рассмотренная ранее тесная связь плотности и зольности, имеющая повсеместное проявление, позволяет во многих случаях отказаться от прямого определения A d трудоемким и длительным путем отбора проб и их лабораторного анализа, особенно при бороздовом опробовании сложноструктурных пластов. При косвенном определении зольности достаточно вместо секционных проб брать небольшой образец и по нему определять плотность, а затем аналитически или по графику, подобному рис.5 и 6, определять зольность. Кажущаяся плотность определяется чаще всего гидростатическим взвешиванием. Практический опыт определения зольности по плотности на Коркинском угольном карьере показал хорошие результаты использования действительной плотности d, получаемой по навеске измельченного угля. Определение и d осуществляется по стандартизированной методике (см. раздел 2.2). Процедура определения плотности упрощается при использовании денситометра и упомянутых ранее лабораторных весов квадратного типа (см. раздел 2.2). В немецкой практике [11] оценка зольности ведется полуавтоматически по результатам взвешивания образца на денситометре, шкала которого проградуирована на зольность в соответствии с изученной корреляцией с плотностью. Расчет пластовой зольности как средневзвешенного по мощности в условиях установленной стабильности A d конкретных пачек 63 64 30 Зольность чистых угольных пачек, % Пластовая зольность с учетом засорения, % и прослоев можно заменить номографическим 25 35 определением. Разными 20 авторами [7] предложе15 30 но несколько вариантов 10 номограмм для опреде25 5 ления среднепластовой 20 зольности. Их основу составляет соотношение 15 мощности угольных пачек и породных про10 слоев и их зольности. Некоторые номограммы 5 0 5 10 15 20 25 30 громоздки и сложны в построении с учетом Содержание породных прослоев, % конкретных исходных данных. Для практичеРис.8. Номограмма для определения пластовой ских целей достаточно зольности (по Н.А.Поповой) использовать номограмму Н.А.Поповой (рис.8), которая построена для средней зольности угольных пачек (5-30 %) и относительного количества породных прослоев 0-30 % с зольностью породы 80 %. Многие угольные пласты простого строения и небольшой мощности, а также отдельные угольные пачки отличаются стабильным составом органической массы, соотношение которой с минеральным материалом (золой) обуславливает степень блеска и литотип угля. Эта закономерность используется для экспрес-оценки зольности при визуальных наблюдениях и ведении геологической документации откосов добычных уступов. Горно-геометрической предпосылкой такого визуального способа определения A d является изученная изменчивость зольности. Например, зольность пластов однотипных углей в Инте на многие сотни метров имеет коэффициент вариации = 35 %; на месторождениях западного Донбасса 5-8 %, Восточного Донбасса – 5-10 %. Изменчивость A d для угольных пачек Черемховского месторожде40 ния характеризуется = 615 %; для конкретной пачки Экибастузского пласта 3 коэффициент вариации = 58 %. Экспериментальными наблюдениями и контрольным опробованием установлено, что при визуальной оценке блеска и литотипа угля на открытых разработках можно ориентироваться на следующие значения , %: Литотип Месторождения: Богословское Тулунское Бл ПБл ПМ М УГП 3 24 18 4 14 10 30 5 5 4 Примечание. Бл – блестящие, ПБл – полублестящие, ПМ – полуматовые, М – матовые угли, УГП – углистые породы. Эти данные указывают на наибольшую трудность и неоднозначность оценки степени блеска промежуточных – полублестящих и полуматовых разностей угля. Блестящие и матовые угли и частично углистые породы выделяются в натуре более однозначно, о чем свидетельствует небольшой разброс их зольности. Важным условием этого способа оценки зольности является навык оценки блеска при периодическом контрольном определении A d. В практике подобных работ на Коркинском угольном карьере оценка зольности ведется по следующим категориям (группам) угля: Ad, % Литотип 20 Б, ПБл 20-30 ПМ 30-40 М 40-50 М 50 УГП Эти категории обозначаются условным знаком на бортовых геологических зарисовках, используемых для оперативного решения о валовом или селективном способе отработки. При большом объеме геологической документации сложноструктурных и нарушенных угольных пластов на протяженных и высоких добычных уступах эффективно использование материалов крупномасштабной фотодокументации, проводимой по методике, описанной ранее (см. раздел 2.5) и в нашей работе [11]. 65 4.2. Плотность В связи с большим объемом определения плотности для расчета средневзвешенного показателя качества, например пластовой зольности, а также для подсчета запасов и добычи угля в массиве актуальна косвенная оценка плотности. Обоснованием такого способа является тесная связь плотности с зольностью при разном количественном соотношении органической и минеральной массы угля. Для малозольных углей (Аd 3040 %) такая связь близка к прямолинейной. Связь с А d, установленная в широком диапазоне их значений для многих месторождений разного генетического типа и степени метаморфизма, позволяет рекомендовать достаточно надежный косвенный способ оперативного определения плотности, в том числе и для сложноструктурных угольных пластов. Для аналитического расчета плотности рекомендуется использовать обратную функцию и полином второй степени, наилучшим образом аппроксимирующие зависимость от А d (корреляционное отношение в среднем равно 0,97). Расчетные и фактические значения плотности отклоняются друг от друга в среднем на 2,5 %. Все это указывает на близкую к функциональной зависимость от Аd и достаточно высокую точность аналитического определения плотности угольной пачки или пласта в целом. Коэффициенты регрессии обратной функции, установленные для месторождений с мощными пластами, приведены в табл.4. В Донбассе для пластов простого строения и относительно небольшой мощности установлена (Ю.И.Белоцерковец, А.И.Гаркаленко и др.) зависимость параметров обратной функции от степени метаморфизма. Плотность do(o) возрастает от 1,17 г/см3 для углей марки Б-Г (Западный Донбасс) до 1,60 г/см3 для антрацитов (Восточный Донбасс). Коэффициенты K1(K2) соответственно уменьшаются от 0,0063 до 0,0043. При косвенной оценке среднепластовой плотности угля в массиве не следует вести трудоемкое дифференцированное определение зольности, плотности, влажности для составляющих сложноструктурных угольных пластов. Достаточно отобрать пластовопромышленную пробу и определить среднее значение A d пласта. 66 Далее по A d и полученным корреляционным уравнениям найти плотность. Расчеты можно заменить графиками связи с A d, построенными для конкретных месторождений (см. рис.5 и 6). Таблица 4 Действительная do и кажущаяся o плотность угля при Ad = 0 % и коэффициенты K1 и K2 для обратного вида связи плотности и зольности Месторождение, бассейн Днепровский Подмосковный Бородинское Коркинское Богословское Ангренское Азейское Ерунаковское, Уропское Черемховское Экибастузский Ткибульское Томусинское Кондомское Листвянское Марка угля do, г/см3 K1 o , г/см3 K2 Б1 Б2 Б2 Б3 Б3 Б3 Б3 Д Г Г-Ж Г-Ж К ОС,Т Т,ПА 1,09 1,09 1,30 1,39 1,38 1,46 1,37 1,36 1,32 1,32 1,29 1,30 1,40 1,50 0,0033 0,0050 0,0057 0,0055 0,0046 0,0048 0,0049 0,0054 0,0056 0,0057 0,005 0,0060 0,0056 0,0058 1,14 1,24 1,23 1,15 1,18 1,23 1,24 1,15 1,14 1,24 1,28 - 0,0061 0,0047 0,0044 0,0052 0,0052 0,0051 0,0050 0,0062 0,0063 0,0055 0,0055 - Оперативным способом прямого определения кажущейся плотности являются простые операции гидростатического взвешивания образцов на лабораторных весах квандрантного типа (ВЛКТ). Последовательность взвешивания образца массой до 150 г следующая: Р1 – масса образца в воздухе; Р2 – масса стакана с водой емкостью около 0,5 л; Р3 – масса стакана с водой и образцом, погруженным в воду на нитке. Отношение Р1 к разности Р3 – Р2 равно кажущейся плотности образца угля в граммах на кубический сантиметр. Точность взвешивания 0,01 г. Надежная связь плотности и зольности позволяет упростить определение пластовой зольности как средневзвешенной величины, 67 85 75 Зольность Аd, % 70 СХЕМА ПОЛЬЗОВАНИЯ 65 60 дано 55 ОТВЕТ 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 дано Ас m Производительность пласта m, т/м2 80 10,0 8,0 6,0 10,0 8,0 6,0 5,0 4,0 3,0 4,0 2,0 1,5 1,0 0,8 0,6 0,4 2,0 1,5 1,0 0,8 0,6 0,5 0,4 0,3 Мощность прослоев и пачек m, м 250 200 15,0 90 0,2 m 0,2 0,136 0,1 Рис.9. Номограмма для определения производительности пачки (прослоя) mii для условий Черемховского месторождения исходя из индивидуальных значений мощности mi, плотности i и зольности Aid пачек и прослоев: n Ad mi i Ai i 1 n mi i . i 1 При этом не нужно непосредственно определять i, достаточно косвенно ее оценивать по корреляции с Ad . Вычисление по приведенной формуле упрощается, если произведение mii будет определяться по номограммам (рис.9). «Входящие» для номограммы – индивидуальные мощности mi и зольность Aid . Шкала mii построена с учетом зависимости i от Aid . 68 4.3. Показатели теплотворной способности В маркшейдерско-геологической практике возникает необходимость определения низшей теплоты сгорания Qir , характеризующей теплотворную способность угля как топочного сырья. По расчетам лабораторного испытания топлива в калориметрической бомбе с использованием результатов определения влажности, зольности, содержания водорода и серы можно найти QНr графически или использовать номограмму Э.М.Паха. Номограмма (рис.10) построена с учетом данных о теплотворной способности условной горючей массы по бомбе QНr , влажности рабочего топлива W r, зольности A d, содержании водорода Нr. Содержание серы, на превышающее 1 %, не учитывается, что отвечает большинству углей и обеспечивает точность определения Qir не ниже 10 ккал/кг. На рис.10 штриховыми линиями со стрелками по- 6500 7500 Qir , ккал/кг 8500 6 4 2 H r, % 7500 6500 5500 4500 3500 Qir , ккал/кг Рис.10. Номограмма для определения низшей теплоты сгорания Qir 69 казана последовательность расчетов для примера: QНr = 6959 ккал/кг, W r = 21,5 %, A d = 21 %, Нr = 4,5 %. Конечный результат r Qi = 4000 ккал/кг. Увеличение плотности кривых номограммы повышает точность графического оперативного определения Qir , вполне обеспечивающего практические требования. Более универсальная номограмма предложена В.Р.Клером. Она позволяет учитывать поправки на содержание серы и водорода, образующихся при испытаниях азотной кислоты, влажности и зольности. В специализированной литературе [6, 7, 9] приведен набор формул для расчета всех характеристик теплотворной способности угля как промышленного сырья. Теплотворная способность углей во многих случаях тесно связана с их зольностью и влажностью. Корреляционным анализом результатов опробования экибастузских пластов установлена прямая связь Q = 7416,6 – 82А d (r = 0,99); более сложной является зависимость Q от W. Многофакторная зависимость описывается выражением Q = 7572 – 24,3W – 83,1А d (R = 0,99). Высокая надежность установленных корреляций позволяют использовать их для оперативной оценки теплотворной способности по достаточно просто определяемым значениям зольности и влажности. 4.4. Прочность (крепость) Оперативная оценка прочности основана на известных ее связях с другими показателями угля, которые просто и постоянно определяются при разведке и эксплуатации месторождения. Такой косвенный способ позволяет избежать трудоемких и дорогих работ по отбору штуфных или керновых проб, проводимых на специальном оборудовании лабораторных испытаний образцов, подготовленных камнерезными работами. Рассмотренные в разделе 3 закономерности свойств угля от соотношения органической и минеральной массы при широком диапазоне зольности математически наиболее точно описываются полиномом второй степени. Из изученных именно квадратичная функция более остальных отвечает природе данной связи. Напри70 мер, для экибастузских углей зависимость крепости f (по Протодьяконову) от зольности A d описывается уравнением f = 1,22 – 0,03A d + 2 + 0,001 Ad . При значительном количестве минерального материала в малоуглистых и безугольных породах снижается влияние органической массы и аргумента A d, что отражается на надежности аппроксимирующей функции. Для добываемой в Экибастузе угольной массы с A d < 60 % корреляционное отношение приведенного уравнения составляет 0,83. Для северной группы карьерных полей Экибастуза установлены наиболее достоверные средние f для литотипов углей с индивидуальной средней A d (табл.5). Здесь же приведены стандартные отклонения крепости Sf . Таблица 5 Средние значения крепости и зольности для литотипов угля и пород Экибастуза Литотип Угли: блестящие и полублестящие полублестящие полублестящие и полуматовые полуматовые полуматовые и матовые матовые матовые зольные высокозольные Углистые породы Слабоуглистые породы Породы (алевролиты, песчаники): группы 1 группы 2 A d, % f Sf До 25 25 30 35 40 45 50 55 60 60-70 0,95 1,00 1,12 1,26 1,46 1,76 1,96 2,34 2,60 2,96 0,30 0,34 0,35 0,36 0,44 0,45 0,58 0,64 0,87 0,90 70-80 Более 80 3,54 4,90 1,10 1,34 Данные табл.5 используют на практике при решении технологических вопросов взрывной подготовки добычных уступов к экскавации. Они удобны для оперативной оценки крепости угольного пласта по материалам геологической документации и опробования зольности экскаваторной заходки. 71 Близкие по форме зависимости крепости от зольности получены и для добываемых подземным способом углей Кузбасса с A d = 545 %. Для оперативной оценки прочности (крепости) целесообразно использовать достаточно тесную ее связь с плотностью угля. Последняя определяется точно и просто по небольшим кусочкам (см. разделы 4.1 и 4.2). Например, для углей Приморского края с учетом их метаморфизма и конкретного диапазона плотности практически достаточно использовать прямую зависимость прочности с от . Для углей марки Б-Д (Липовецкое, Тавричанское, Артемовское месторождения) эта связь описывается прямолинейной функцией с = 1000 – 1250. На Липовецком месторождении нами установлена следующая закономерность изменения прочности разных литотипов угля: Литотип р, МПа М 1,94 ПМ 1,02 ПМ-ПБл 0,75 Почти прямая связь крепости f с плотностью получена для углей пластов, разрабатываемых на шахте Суртаиха Прокопьевского-Киселевского районах Кузбасса: , г/см3 f 1,15 0,47 1,2 0,53 1,3 0,67 1,4 0,80 1,45 0,86 Косвенный способ оценки прочности (крепости) особенно эффективен при определении ее среднепластовых значений для пластов сложного строения. Оперативными являются упомянутые экспресс-испытания прочности по образцам неправильной формы с использованием индекторных приборов и устройств. 72 Заключение Для управления качеством и количеством добычи при разработке сложноструктурных пластов угля, при текущем учете эксплуатируемых запасов, а также при геолого-информационном обеспечении буровзрывных работ на добычных уступах возникает необходимость оперативного определения свойств и качества угля и всего угольного пласта. Косвенный и оперативный способ оценки показателей качества и свойств исключает трудоемкие и длительные работы по отбору проб и лабораторному их анализу. Косвенное определение некоторых геолого-технологических показателей по установленным корреляциям целесообразно использовать при буровой разведке, когда из-за низкого выхода керна ограничено их определение путем кернового опробования. Решению этих задач маркшейдерско-геологической практики способствует данное пособие. Особое место в пособии отведено экспресс-методам и оперативной оценке показателей качества и свойств угля, а также среднепластовых характеристик. Освещены закономерности проявления и парагенетические связи показателей качества и свойств, являющихся обоснованием и предпосылками соответствующих корреляций и математического описания изученных зависимостей. Приведены рекомендации по экспрессным методам, по аналитическим и графическим способам определения основных показателей качества и свойств (зольности, теплоты сгорания, плотности, прочности). Студенты, изучившие основы оперативного определения главных показателей качества и свойств угля, будут иметь возможность решать важные практические задачи эксплуатации угольных месторождений, сокращая трудоемкие и длительные работы опробования. 73 РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Альбов М.Н. Опробование месторождений полезных ископаемых. М.: Недра, 1975. 239 с. 2. Барон Л.И. Определение свойств горных пород / Л.И.Барон, Б.М.Логунцов, Е.З.Позин. М.: Госгортехиздат, 1962. 332 с. 3. Боев В.А. Основы учета добычи угля на шахтах. М.: Недра, 1975. 192 с. 4. Глейзер М.И. Определение физических характеристик горных пород в маркшейдерско-геологической практике. М.: Недра, 1969. 78 с. 5. Исследование взаимосвязи показателей зольности и некоторых физических свойств углей и пород Ткибульского месторождения / И.Г.Меликидзе, Ф.Х.Бежаков, И.А.Хецуриани и др. // Физ. и механ. гор. пород. Т.1. Тбилиси: Мицниереба, 1974. С.5-17. 6. Кирюков В.В. Качество углей. Основы прогнозирования и управления качеством / В.В.Кирюков, Н.П.Очкур. Ленинградский горный ин-т. Л., 1981. 95 с. 7. Клер В.Р. Изучение и геолого-экономическая оценка качества углей при геолого-разведочных работах. М.: Недра, 1975. 320 с. 8. Миронов К.В. Справочник геолога-угольщика. М.: Недра, 1991. 363 с. 9. Сарбеева Л.И. Состав и свойства углей и горючих сланцев / Л.И.Сарбеева, Г.П.Дударь, Н.К.Евдокимова. Санкт-Петербургский горный ин-т. СПб, 1993. 137 с. 10. Ржевский В.В. Основы физики горных пород / В.В.Ржевский, Г.Я.Новик. М.: Недра, 1978. 390 с. 11. Такранов Р.А. Геологические работы на угольных карьерах. М.: Недра, 1975. 295 с. 12. Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна: Справочник / Г.Г.Штумпф, Ю.А.Рыжков, А.И.Петров и др. М.: Недра, 1994. 447 с. 74 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение .................................................................................................................. 3 1. Промышленно-геологическая характеристика свойств и качества угля ....... 1.1. Промышленно-потребительские свойства .............................................. 1.2. Промышленно-генетическая классификация углей ............................... 5 5 13 2. Методы изучения промышленно-потребительских свойств и горнотехнологических параметров угля ........................................................................ 2.1. Общие положения. Опробование ............................................................. 2.2. Технический анализ .................................................................................. 2.3. Вещественно-петрографический анализ ................................................. 2.4. Изучение технологических и физико-механических свойств ............... 2.5. Совершенствование опробования ............................................................ 2.6. Характеристика разрыхленной угольной массы ..................................... 2.6.1. Плотность разрыхленного угля .................................................... 2.6.2. Коэффициент разрыхления .......................................................... 2.6.3. Гранулометрический состав ......................................................... 16 16 18 24 26 34 37 37 41 42 3. Закономерности состава и свойств угля ........................................................... 3.1. Органический материал. Метаморфизм угля .......................................... 3.2. Минеральные примеси. Зольность ........................................................... 3.3. Парагенетические связи состава и свойств угля. Корреляционный анализ ................................................................................................................ 3.3.1. Связь плотности с составом ......................................................... 3.3.2. Зависимость плотности угля в массиве от влажности ............... 46 46 50 4. Оперативная оценка промышленно-геологических характеристик угля ...... 4.1. Зольность ................................................................................................... 4.2. Плотность................................................................................................... 4.3. Показатели теплотворной способности ................................................... 4.4. Прочность (крепость) ................................................................................ 63 63 66 69 70 Заключение ............................................................................................................. 73 Рекомендательный библиографический список .................................................. 74 52 53 60 75