Науки о Земле
Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых
Киряева Т.А., кандидат технических наук, старший научный сотрудник Танайно А. С., кандидат технических наук, старший научный сотрудник (Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук)
КЛАССИФИКАЦИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ КУЗБАССА ПО ОБОБЩЕННОМУ СТРУКТУРНОМУ ПОКАЗАТЕЛЮ
Предложен, в отличие от известных описаний структур углей, метод количественного представления структуры угольного вещества обобщённым показателем по петрографическим компонентам. По данным 87-ми пластов Кузнецкого бассейна установлены корреляционные связи этого показателя с прочностью углей на одноосное сжатие и комплексным показателем метаморфизма. Получены классификации угольных пластов Кузбасса по обобщённому структурному показателю.
Ключевые слова: структура углей, петрографический состав углей, комплексный показатель метаморфизма.
CLASSIFICATIONS OF KUZBASS COAL BEDS BASED ON THE COMPOSITE STRUCTURAL INDEX.
The authors offer the method of coal structure quantification using a composite index based on petro-graphic components in distinction from the known ways of describing structure of coal. In terms of the information on 87 coal beds in the Kuznetsk Coal Basin, the correlation between the composite structural index, uniaxial compression of coal and composite index of metamorphism has been found. The authors have constructed classifications of Kuzbass coal beds based on the composite structural index.
Key words: structure of coal, petrographic components of coal, composite index of metamorphism.
Существует два основных подхода к изучению структуры, физико-механических и физико-химических свойств углей [1]. Первый - петролого-технологический, - основан на установлении взаимосвязей между петрографическим и химическим составом вещества углей в целом и их свойствами. Этот метод не учитывает особенностей текстуры органического вещества углей. Второй подход - геолого-генетический, - позволяет установить качественные зависимости между макроструктурой органического вещества углей, фациальными факторами углеобразования и природой исходного растительного материала. Его недостатком является отсутствие количественных параметров, адекватно описывающих структурно-текстур-ные особенности угольного вещества. Таким образом, в настоящее время отсутствуют методы изучения структуры и свойств углей, объединяющие достоинства указанных выше подходов и исключающие их недостатки. В связи с этим обоснование и разработка методов изучения структурных особенностей углей для определения динамики их свойств под влиянием внешних воздействий является актуальной проблемой.
Поэтому в последние годы исследователи обращают внимание на разработку методов количественного представления совокупности компонент структуры горных пород и углей интегральными (комплексными) показателями и определение их связи с механическими свойствами пород и технологическими процессами. В англоязычной литературе, применительно к
горным породам, для этих целей используется «текстурный коэффициент», (в связи с отсутствием понятия «структура горных пород») представленный в виде эмпирической связи совокупности некоторых геометрически измеряемых компонент структуры (среднеарифметические размеры зёрен, их количество, коэффициент формы, шероховатость и пр.) [2-5].
Что касается представления комплексными показателями структуры углей, то здесь, в виду существенного отличия их структуры от горных пород, предлагаются иные подходы. В частности, в связи с практической невозможностью определения геометрических размеров структурных компонент углей на микроскопическом уровне, выполнены исследования по определению фрактальных размеров отдельностей в некоторых раздроблённых литотипах углей Донецкого бассейна [6]. Однако структура углей характеризуется не только гранулометрическим составом.
В [9, 10] предложен подход получения структуры углей методом фликкер-шумовой спектроскопии (ФШС) отражающей меру ступенчатости изменяющейся контрастности и острийность в изменениях контрастности при сканировании шлифа породы под микроскопом. В итоге получается обобщённая характеристика образа (картинки) определяемая количественными ФШС-параметрами, отражающими структурно-текстурные особенности углей разных генотипов. Однако в этом методе не учитывается количественные составляющие угольного вещества.
В предыдущем этапе исследований [7] нами предложен метод количественной оценки совокупности микроструктурных компонент терригенных горных пород комплексным показателем, основа которого базируется на теоретических положениях иерархического распределения физико-механических свойств горных пород [8].
Однако задача представления структурного строения углей комплексным показателем имеет следующие особенности.
• Основные структурные составляющие в образцах угля представлены мацералами, геометрические образы которых расплывчаты (бархомисты), что затрудняет, в сравнении с зёрнами в терригенных породах, определение их размеров.
• Микрокомпоненты, составляющие органическую часть углей, не имеют кристаллической решетки и постоянного химического состава, поэтому их нельзя рассматривать как минералы.
• Физико-механические и физико-химические свойства углей, такие как прочность, микрохрупкость, спекаемость, выход летучих и пр., существенно зависят от количественного состава мацералов.
• На свойства углей значимое влияние оказывают также минеральные примеси (материнская зольность), общая пористость, наличие флюида (естественная влажность).
В развитии предложенного нами ранее подхода для получения комплексных показателей, характеризующих угольное вещество, используются компоненты, определяемые стандартными методами и представленные их содержанием, например мацералы: ^-витринит, £у-семивитринит, /п-инертинит, £-липтинит. Из других компонент, слагающих структуру углей используются следующие: содержание минеральных примесей (^-материнская зольность), показатели естественной влажности (Ж) и общей пористости (Р). Ни одна из перечисленных компонент состава угля в отдельности не оказывает превалирующего влияния на свойства углей, а проявляются в системной их связи.
Выражение для количественного представления структурно-петрографического состава углей получено на основании ранее установленных нами закономерностей иерархической кластеризации свойств горных пород [8].
Комплексный показатель петрографического строения углей (О) применительно к поставленной задаче определим по выражению:
О=С[1п(¥/Уо)+1п(8^о)+1п(/п/1о) + 1п(Ь/10)+1п(Ла/ао)+1п(Р/ро)]+6 (1)
где уо, го, 1о, а0, ро - минимальные значения соответствующих компонент; С - константа, определяемая порядком канонической шкалы.
С целью определения минимальных значений петрографических компонент нами выполнен анализ их распределения в статистической выборке по 87-ти угольным пластам Кузбасса. Как следует из результатов анализа, представленных на диаграммах (рис. 1), говорить о связи отдельных компонент структуры углей с прочностью образцов на одноосное сжатие по всей рассматриваемой выборке нет оснований. Характерно, что показатель прочности углей изменяется незначительно на разных стадиях метаморфизма: прочность на одноосное сжатие более 90% углей определена от 13 до 16 МПа. Напротив, содержание мацералов значимо зависит от стадий метаморфизма углей (рис.2).
а)
б)
■ о 100
о"-
, 90
к!
И
В яо
К
к & 70
60
и
1) к 50
и
я 40
*
(Л « 30
н
о 70
и
* *. * . * *
♦
♦ ♦♦ ♦
♦ V:* . ♦
*
* * * »\ *
•
20
1Я
Л
и 14
ч
о
К V
Л
ч о 10
го 0
В
4
Прочность, МПа
В)
■ I
■ •
: • ■
■
» .... • . -% ■
"Л,*-■ • 1 . ■■ р* " • ■ ■ \
■
о-
А И О
о к
Ч
т
о4
Л И и о н о
а а о С
•I
* % *
Прочность, МПа Г)
■. м
\-p-r—
• • •
Прочность, МПа Прочность, МПа
Рис.1. Характер связи компонент структуры углей с их прочностью на одноосное сжатие.
и Е К
пз
*
а и
ч о
и
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 О
1 1 / 1 ; ! I 1 ! 1 1 1 1 ! 1
^ ^ А0 Л ,0 $ Л> > > +
.V * V
а)
витринит
инертинит
семивитрниит
1ЛИПТИНИТ
2Ж: 2-название пласта; Ж-марка угля
а и
я
га
и К
К
га
И а и
ч о О
б)
3? 80
Й 70 О
5 60
50 40 30 20 10 0
И
ч- 10 ю 00
■ ЕИ"фИНЦТ
ннфтиннт сенивитрннит
[ч ^ ^ ^
4Т: 4-название пласта; Т-марка угля
Рис.2. Диаграммы распределения мацералов в углях: а - марок Т, К, КО; б - марки Ж.
Из приведенных результатов можно заключить, что корреляционные связи, между прочностью углей и содержанием в них отдельных мацералов отсутствуют.
Для расчёта комплексного показателя петрографического строения углей по (1), принято у0 =28; so =1; 10=3;/0 =1; а0 =4; р0 =2. Для всех компонент принята каноническая шкала второго порядка, где С=2.8854. Результаты расчётов по (1), представленью на рис. 3 в виде зависимости о8 =А(О) позволяют сделать предположение о наличии устойчивой связи между комплексным показателем петрографического состава углей и их прочностными свойствами (коэффициент корреляции 112~0.92).
17
л
к 16,5
12 -
15 20 25 30 35
Комплексный показатель петрографического состава углей, у. е.
Рис. 3. Связь между пределами прочности угля на одноосное сжатие и комплексным структурно-петрографическим показателем
Связь между комплексным показателем петрографического состава углей и прочностью их на одноосное сжатие с точностью ±10%, можно определить по выражению
о8 ~5.51п(О)+2. 83. (2)
Обратное (2) соотношение, согласно рис.3, представляется в виде петрографического показателя углей с прочностью на одноосное сжатие (3), что является основанием подтверждающим его информативность. Важно, что все используемые компоненты для расчёта О определяются стандартными методами и являются обязательными в исследовании свойств углей.
0~2.07ехр(0.167о8). (3)
Исследована также возможность представления обобщённым показателем только маце-ральн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.