» » Физико-механические свойства углей


Физико-механические свойства углей

02.08.2016

В комплекс данных свойств углей входят: прочность, трещиноватость, метаноемкость, выбросоопасность. Они, наряду с другими факторами (мощность, угол падения угольных пластов и пр.), обусловливают основные проектные показатели при сооружении горных предприятий, а также выбор оборудования и машин для добычи.
Механическая прочность рассматривается как способность угля противостоять ударам и истиранию. Она имеет большое значение при оценке пригодности углей для газификации, получения термоантрацитов для электродного и литейного производства.
От прочности и трещиноватости зависит гранулометрический состав добываемых углей. Он обусловливает выбор схем и средств транспорта, тип и количество технологического оборудования шахт, разрезов и обогатительных фабрик, а также планирование показателей по выпуску и выходу сортового топлива.
И.П. Болдыревым определено сопротивление резанию углей Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса и показана его взаимосвязь с литотипным составом, содержанием микрокомпонентов группы витринита и стадией метаморфизма углей.
Установлено, что с увеличением содержания витринита снижалось сопротивление резанию углей (рис. 3.13). Угли марок К отличались минимальной прочностью, марок Г и Д — максимальной.
Физико-механические свойства углей

С прочностью углей в пластах связаны также внезапные выбросы газа и пыли в шахтах. Установлено, что при прочности угля в пласте свыше 1,96 усл. ед. (по шкале М.М. Протодьяконова) пласт можно отнести к невыбросоопасным.
Петрографический состав влияет на прочностные свойства углей наряду с их трещиноватостью и пористостью.
Трещиноватость углей определяет их дробимость. От нее зависит состав углей по крупности при их добыче, транспортировании и на подготовительных стадиях процессов переработки.
Текстурно-структурные особенности углей влияют не только на выраженность отдельных групп трещин, но и на способность разрушения угля при добыче и технологическом использовании. Чем однороднее уголь, чем реже в нем встречаются фюзеновые прослои, тем труднее он раскалывается по плоскостям наслоения (хотя в ряде случаев имеет аналогичный петрографический состав с полосчатыми углями). Витринитовые полосы, имеющие повышенную хрупкость и трещиноватость, являются ослабленными швами в угле и способствуют его расчленению по наслоению при механических воздействиях. Инертинит создает ослабленные участки в угле лишь тогда, когда он скапливается в отдельных прослоях в виде довольно крупных фрагментов.
Гранулометрический состав добываемых углей зависит и от эндогенной трещиноватости, а она, в свою очередь, от петрографического состава и стадии метаморфизма угля. Наибольшей эндогенной трещиноватостью характеризуются витринитовые угли средних стадий метаморфизма (III—V). При их разработке в добытом угле преобладают куски размером менее 6 мм.
Проявления экзогенной трещиноватости широко развиты в пачках блестящего и полу блестящего углей с большим содержанием витринита. Как правило, в пластах, где, наряду с пачками полуматового и матового, присутствуют пачки блестящего и полублестящего углей, последние оказываются более трещиноваты, а иногда и полностью перемяты, что приводит к повышенному выходу мелких классов угля при выемке.
При прочих равных условиях уголь, находящийся на средних стадиях метаморфизма, имеет более развитую экзогенную трещиноватость, чем на низких и высоких, что обусловлено характером изменения физико-химических свойств углей при метаморфизме. Экзогенная трещиноватость в некоторых случаях сильно влияет на механическую прочность угля. Как уже отмечалось, уголь пачек пласта, интенсивно разбитых экзогенными трещинами, при малейших воздействиях рассыпается в пыль или распадается на мелкие линзовидные кусочки (перемятый уголь).
Для углей, предназначенных к сжиганию в пылевидном состоянии, важное значение имеет их размолоспособность, которая оценивается по затратам энергии на измельчение.
Нередко механическая прочность углей оценивается по их твердости. Минералогическая твердость углей по шкале Mooca изменяется от 1 до 5. Твердость витринита в бурых углях не превышает 2, а в антрацитах достигает 4. Микротвердость отдельных микрокомпонентов колеблется в широких пределах и существенно изменяется при метаморфизме угля. Витринит в бурых углях имеет микротвердость 100—200, в каменных — 300—500, а в антрацитах — до 2000 Н/мм2 (рис. 3.14). Микротвердость липтинита в каменных углях не превышает 250 Н/мм2, а инертинита варьирует от 500 до 1500 Н/мм2.
Склонность углей к окислению и самовозгоранию связана с их вещественным составом. При открытой разработке, в целиках, оставляемых в шахтах, при транспортировании и хранении угли окисляются кислородом воздуха и нередко самовозгораются.
Физико-механические свойства углей

Кроме того, при окислении изменяются технологические свойства углей вплоть до полной потери пригодности их для определенных видов потребления (например, для коксования).
На самовозгорание углей сильно влияет и степень их метаморфизма. В общем случае, чем ниже стадия метаморфизма угля, тем больше его склонность к самовозгоранию.
Исследование петрографического состава углей, различных по стадии метаморфизма и самовозгораемости, показало, что с увеличением содержания в них инертинита склонность угля к самовозгоранию повышается. Возможно, это обусловлено неодинаковыми сорбционными свойствами витринита и инертинита-фюзинита If (рис. 3.15).
Физико-механические свойства углей

Для оценки зависимости пожароопасности шахт от горногеологических факторов Г.Е. Иванченко с соавторами обработали статистические данные об эндогенных пожарах, происходивших на шахтах Карагандинского бассейна. В качестве показателя пожароопасности шахты они использовали частоту пожаров Q в период эксплуатации данной шахты. Было установлено, что из всех рассмотренных факторов наибольшее влияние оказывало содержание фюзинита (инертинита) в угле:
Q1 = H (AF2 + В),

где H — мощность угольного пласта, м; F — содержание фюзинита (инертинита), % объем.; А и В — некоторые постоянные, имеющие для Карагандинского бассейна следующие значения: А = 0,44; В = 0,014.
Пожароопасность угольных пластов несомненно связана со склонностью слагающих их углей к самовозгоранию. Склонность углей к самовозгоранию устанавливается лабораторными испытаниями по методике МакНИИ путем определения газовой характеристики S.
Работы, проведенные Г.Н. Крикуновым в Карагандинском бассейне, позволили установить, что между содержанием инертинита (фюзинита) в углях и газовой характеристикой 5 наблюдается зависимость, описываемая уравнением прямой S = 4,73 + 0,73F.
Петрографический состав углей влияет также на количество поглощаемого кислорода и выделяющихся при окислении угля (при t = 200 °С) CO2 и CO.