авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Обоснование и разработка методов изучения структурных особенностей углей для определения динамики их свойств под влиянием внешних воздействий

-- [ Страница 2 ] --

Обобщая мнения представителей различных научных школ: Ю.А.Жемчужникова, Л.И.Боголюбовой, П.П.Тимофеева, В.С.Яблокова, И.Э.Вальц, И.И.Аммосова, И.В.Еремина, А.И.Гинзбург и др., к основным факторам, определяющим направление изменения органического вещества в процессе генезиса, были отнесятся природа исходного вещества углеобразования и характер внешней среды. Именно на стадии генезиса формируется петрографический и закладывается химический состав углей.

По мнению большинства отечественных и зарубежных исследователей, основные качественные свойства углей определяются их петрографическим составом и стадией метаморфизма. Широкое внедрение петрографических и рефлектометрических методов (Э.Штах, М.Тейхмюллер, И.И.Аммосов, И.В.Еремин) позволило выявить количественные взаимосвязи между составом, стадией метаморфизма и основными свойствами углей большинства месторождений. Было установлено, что петрографический состав углей оказывает существенное влияние на их прочностные и физико-химические свойства. Эти свойства существенно различаются для индивидуальных мацералов. По сравнению с фюзинитом витринит характеризуется большей трещиноватостью и хрупкостью, но меньшей твердостью. Обобщение многочисленных данных, касающихся влияния петрографического состава углей на их механические свойства, позволяет сделать следующие выводы:

- с увеличением в составе углей мацералов группы витринита возрастает дробимость улей, их размолоспособность и сопротивление резанию. Такие закономерности присущи каменным углям во всем диапазоне метаморфизма, однако различаются степенью выраженности соответствующих параметров;

- характер трещиноватости углей зависит от петрографического состава углей, в первую очередь, от содержания витринита. Эндогенная трещиноватость незначительно изменяется при малых содержаниях в углях разных стадий витринита, резкое возрастание происходит при содержании витринита более 50%. Экзогенная трещиноватость более ярко проявляется для углей, обогащенных витринитом;

- физико-химические свойства углей также существенно зависят от их петрографического состава. Особый интерес представляют данные по сорбционным свойствам углей и их газоносности. В работах И.Л.Эттингера показано, что обогащенные фюзинитом угли характеризуются более высокой сорбционной способностью по отношению к диоксиду углерода и метану. Сорбционная метаноемкость органической массы витринитовых и фюзинитовых углей также различается: большие значения характерны для фюзинита.

В качестве базовых характеристик, определяющих всю совокупность физико-механических свойств углей, приняты показатели микротвердости, микрохрупкости и трещиноватости гелифицированных компонентов углей. Изменение этих показателей при метаморфизме имеет сложный характер. Максимальные значения трещиноватости и хрупкости углей приходятся на интервал показателя отражения, в котором плотность углей имеет минимальные значения (интервал показателя отражения Ro 0,85-2,5%). В этом же интервале угли характеризуются наибольшим электросопротивлением. Микротвердость увеличивается для углей в интервале показателей отражения 0,5-1,0%, затем уменьшается вплоть до стадии метаморфизма, соответствующей 1,5%, после чего начинает опять возрастать. Изменение трещиноватости, плотности и хрупкости углей при метаморфизме оказывает существенное влияние на их гранулометрический состав (размолоспособность), сопротивление резанию и другие механические характеристики.

В 50-х годах прошлого столетия были выявлены отклонения от вышеописанных закономерностей для углей, имеющих идентичный петрографический состав и близкую стадию метаморфизма. Для этих углей было принято название «угли разных генетических типов по степени восстановленности витринита» (П.П.Тимофеев, Л.И.Боголюбова, И.И.Аммосов и др.) или «perhydrous coals» (J.Patrick и др.). Обобщая масштабные исследования углей в пластах Донецкого бассейна и Прокопьевско-Киселёвского района Кузбасса, И.И.Аммосов определил, что главными условиями для образования раз-новосстановленных углей явились восстановительный характер среды (степень участия кислорода в превращениях исходного материала) и влияние минеральных примесей на эти процессы.

В обобщающих публикациях детально рассмотрены характерные особенности углей разной восстановленности по элементному составу и структурным признакам, петрографическим отличиям, физико-химическим, физико-механическим и химико-технологическим свойствам. К более восстановленным отнесены угли с более высоким содержанием водорода, повышенным выходом летучих веществ, большей спекаемостью и лучшей растворимостью в органических растворителях, но с пониженной плотностью вещества витринита на всех стадиях углефикации. Для них также характерны большая микрохрупкость, меньшая микротвердость, более широкий разброс по плотности по сравнению с изометаморфными менее восстановленными углями. Изучение сорбционных свойств углей разной восстановленности в ИПКОН РАН и МакНИИуголь показало, что угли восстановленного типа характеризуются более низкой сорбционной метаноемкостью и меньшей газоносностью по сравнению с изометаморфными углями слабовосстановленного генотипа. В качестве классификационных параметров углей разных генотипов были приняты: для бурых углей – выход смолы полукоксования, для каменных - выход летучих веществ (Vdaf,%) и толщина пластического слоя (y, мм), а для антрацитов – анизотропия показателя отражения витринита. Выбор этих параметров обусловлен их существенной зависимостью от генетических факторов, определивших различную восстановленность углей, а также их значением для определения технологических характеристик углей. Эти классификационные параметры обеспечивают надежное отнесение углей к определенным маркам и позволяют определять их поведение в процессах технологической и энергетической переработки, однако существенно зависят от степени измельчения пробы, что делает невозможным использование этих показателей для описания процессов, происходящих в массиве угля под действием физических полей разной природы и активных сред.

Таким образом, в рамках существующих базовых представлений невозможно объяснить природу различий механических и физико-химических свойств углей разных месторождений, имеющих идентичный петрографический состав и близкую стадию метаморфизма. Это связано в первую очередь с различием подходов и методов исследования структуры и состава углей. Преобразование органического вещества ископаемых углей является предметом изучения как геологов, так и углехимиков. В осадочной геологии преобразование органического вещества диагностируют по изменению морфологии и цвета угольных мацералов (в проходящем свете) на достаточно крупных образцах проб углей, отобранных по простиранию и глубине пласта. Литолого-фациальный анализ угленосных отложений позволяет установить качественные зависимости между макроструктурой органического вещества углей, фациальными факторами углеобразования и природой исходного растительного материала. Базовыми в этих исследованиях являются структурно-текстурные особенности строения гелифицированного органического вещества углей, заключающиеся в различиях формы, размера, степени разложения исходного растительного материала и характера границ между неоднородностями.

Петролого-технологический подход основан на установлении взаимосвязей между петрографическим и химическим строением вещества углей в целом, свойствами и реакционной способностью углей в процессах добычи и переработки. Для количественного определения петрографического состава и показателя отражения проводят измельчение пробы угля до крупности менее 1 мм и анализируют состав в аншлиф-брикетах. Полученная информация отражает петрографический состав по содержанию основных групп мацералов, отнесенному в целом ко всей массе угля. Несмотря на высокую информативность такого метода, он не позволяет оценить пространственную структуру органического вещества углей, размеры, взаимное расположение отдельных элементов и характер границ между ними. Структурно-текстурные особенности органического вещества углей в значительной степени определяют их микрохрупкость, трещиноватость, плотность, газопроницаемость, являющиеся базовыми при оценке изменения свойств углей под действием физических полей и активных сред.

В связи с этим возникают вопросы, касающиеся, с одной стороны, природы различий изометаморфных углей, и с другой, критериев отнесения того или иного угля к определенному генотипу. Эти вопросы связаны между собой, однако преследуют разные задачи. Вопрос о критериальных оценках разновосстановленности ископаемых углей для определения и прогноза их свойств имеет прикладной характер и должен рассматриваться во взаимосвязи с исследованиями свойств углей на разных масштабных уровнях. Критерии должны быть общими для всех угольных бассейнов и рассматриваться в комплексе с существующей промышленно-генетической классификацией углей. Фундаментальные исследования осадочного процесса, выполненные в последние десятилетия XX столетия П. П. Тимофеевым, Л. И. Боголюбовой и др., позволили выявить общие закономерности в формировании структуры органического вещества и вмещающих пород углей большинства месторождений. На основании этих исследований была создана генетическая классификация гумусовых углей месторождений России и стран СНГ. Основным параметром этой классификации принят генетический тип углей, характеризующий их органическое вещество во всем метаморфическом ряду по степени разложения лигниноцеллюлозных тканей.

Генетический тип угля является параметром, характеризующим его морфологию, структуру и текстуру, не зависит от стадии метаморфизма угля и является обобщенным для различных угольных бассейнов. Невозможность использования этого параметра для оценки свойств углей настоящего времени была обусловлена в основном качественным определением генотипов и отсутствием количественных показателей.

Таким образом, проведенный анализ показал, что в настоящий момент не существует единого подхода в выборе количественных параметров, адекватно описывающих структурно-текстурные и структурно-химические особенности строения органического вещества углей для прогноза и оценки их свойств в условиях воздействия полей различной физической природы и активных сред. Указанный анализ позволил сформулировать отмеченные выше цели и задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке метода количественной оценки структурно-текстурных особенностей углей разных генотипов. В соответствии с генетической классификацией каждый генетический тип угля определяется следующим комплексом признаков: 1) структурой и текстурой вещества углеобразующих микрокомпонентов; 2) типом вещества углеобразующих микрокомпонентов; 3) определенным соотношением углеобразующих и второстепенных микрокомпонентов; 4) исходным материалом углеобразующих микрокомпонентов (в случае возможного его определения); 5) тем или иным количеством минеральной примеси.

Таким образом, генетический тип угля является параметром, характеризующим структуру и текстуру органического вещества витринитов, не зависит от стадии метаморфизма угля и является обобщенным для различных угольных бассейнов.

До последнего времени определение генотипа углей было основано на визуальном описании. Несмотря на высокую надежность и информативность такого определения, не представляется возможным использовать полученные данные для установления количественных взаимосвязей с различными свойствами и характеристиками углей. В этой связи были проведены работы по параметризации изображений микроструктур углей. В качестве методологии такого анализа была использована фликкер-шумовая спектроскопия – ФШС, ранее апробированная при параметризации сложных поверхностей разной природы. Сущность ФШС-подхода состоит в придании информационной значимости корреляционным взаимосвязям, которые реализуются в сложных хаотических сигналах разной природы. Это могут быть временные последовательности (временные ряды) измеряемых динамических переменных, характеризующих эволюцию открытых нелинейных систем с неизбежным проявлением в такой динамике диссипативных процессов и инерционности реальных подсистем. Это могут быть поверхностные структуры, формируемые в ходе сложной эволюции и представляемые массивами измеряемых локальных значений «шероховатостей», или другого типа пространственно организованные хаотические последовательности (ряды). Согласно ФШС - представлениям соответствующая информация содержится в спектрах мощности и разностных моментах 2-го порядка («структурных функциях») исследуемых сигналов. При сопоставлении общих выражений для разностных моментов и спектров мощности с соответствующими зависимостями, построенными на основе реально измеряемых сигналов, извлекаются феноменологические параметры, которые могут рассматриваться как «паспортные характеристики» исследуемого процесса. Часть этих параметров характеризует протяженность областей корреляционной связанности («длин корреляции») измеряемых динамических переменных по вводимым типам нерегулярностей, другая часть содержит информацию о характере потери корреляционных связей в интервалах корреляционных длин. Основное отличие ФШС от иных методов анализа хаотических структур состоит во введении информационных параметров, характеризующих составляющие исследуемых изображений в разных диапазонах пространственных частот, и реализации необходимых процедур для выделения таких параметров, в том числе отражающих особенности оптического рельефа анализируемого изображения в интересующем частотном диапазоне. При этом в качестве основных параметров рассматриваются: – мера ступенчатости изменяющейся контрастности (усл.ед) как среднеквадратическое отклонение значений контрастности от среднего уровня, S01 – фактор острийности в изменениях контрастности (усл.ед) как мера нерегулярностей-всплесков. Развитый подход для определения параметров микроструктур углей был реализован при анализе образцов тонких шлифов более чем 100 типов углей различных месторождений (Донецкий, Кузнецкий, Карагандинский, Иркутский, Якутский, Улугхемский бассейны). На рисунке 1 представлены типичные микроструктуры витринитов углей разных генотипов. В таблице 1 приведены статистические параметры, полученные при обработке оцифрованных микроизображений методом ФШС. По мере гомогенизации гелифицированного витринитового вещества углей при переходе от I генотипа ко II и т.д. происходит постепенное уменьшение основных параметров, характеризующих нерегулярности формирующихся структур. При близости характерных значений соответствующих параметров для I и II генотипов выявляется заметное различие отношений и S01, определенных при анализе изображений шлифов, полученных при их ориентации в двух взаимно перпендикулярных направлениях, т.е. при двух разных выборах осей x и y относительно исходного шлифа (соответственно K и Ks). В случае углей I генотипа диапазон различий отношений параметров и S01, определенных в двух указанных случаях, составлял соответственно 1,1-3,5 и 1,1-14,0. Для углей II генотипа эти соотношения составляли 1,0-1,9 и 1,1-3,0, что свидетельствует о бльшей гомогенизации их вещества по сравнению с углями I генотипа. Наиболее существенные различия наблюдались при переходе к углям IV генотипа, для которых и S01 характеризуются низкими значениями и узким диапазоном изменения. Соответствующие значения K и Ks близки к 1. Таким образом, экспериментально установлено, что параметризация изображений углей разных месторождений, полученных при микроскопическом наблюдении в проходящем поляризованном свете с использованием метода ФШС, позволяет получить количественные параметры, адекватно отражающие структурно-текстурные особенности углей разных генотипов. В качестве основных параметров предложены: – мера ступенчатости изменяющейся контрастности как среднеквадратическое отклонение значений контрастности от среднего уровня, S01 – фактор острийности в изменениях контрастности как мера нерегулярностей-всплесков. Для разграничения углей смежных генотипов, имеющих близкие параметры и S01, вводят дополнительные параметры K и Ks, отражающие различия в ориентации

структурных элементов.

I генотип II генотип

III генотип IV генотип

Рисунок 1.

Микрофотографии углей разных генотипов

Таблица 1

Диапазоны изменения ФШС-параметров оцифрованных фотоизображений углей разных генотипов

Генотип ФШС-параметры
, усл.ед. S01, усл.ед. K Ks
I 10,6-85,6 1,1104-3,4105 1,1-3,5 1,1-14,0
II 4,4-19,1 1,9103-2,9104 1,0-1,9 1,1-3,0
III 7,3-10,5 5,5103-1,5104 1,0-2,0 1,2-1,9
IV 5,7-8,0 2,3103-5,1103 1,0-1,3 1,0-1,3


Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.