Обоснование и разработка методов изучения структурных особенностей углей для определения динамики их свойств под влиянием внешних воздействий (стр. 1 )

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ

ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ

УГЛЕЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИКИ

ИХ СВОЙСТВ ПОД ВЛИЯНИЕМ ВНЕШНИХ

ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 25.00.16 - «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2009 г.

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московский государственный горный университет

Научный консультант

доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор 

доктор геолого-минералогических наук 

доктор технических наук, профессор 

Ведущая организация – УРАН Институт проблем комплексного освоения 

  недр РАН (г. Москва)

Защита диссертации состоится «03»  марта  2010 г. в «1300» часов на заседании диссертационного совета Д‑212.128.04 при Московском государственном горном университете г. Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного  горного университета.

Автореферат разослан « ____»___________  2010 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

докт. техн. наук, профессор        

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.  Совершенствование существующих и разработка новых методов и средств геологического изучения угольных месторождений являются неотъемлемой частью организации эффективных экологически безопасных горнодобывающих технологий. Учитывая сложное строение угольных пластов, высокую неоднородность самого угольного вещества, совместное воздействие физических полей и активных химических сред  при ведении горных работ, актуальность приобретают интегрированные подходы в изучении структуры и свойств углей, позволяющие оценивать вклад различных структурных элементов и их взаимное влияние на горно-геологические процессы. Такие подходы являются основой эффективного мониторинга разрабатываемых месторождений, прогнозирования горно-геологических явлений и процессов, а также управления качеством добываемого угольного сырья с учетом его комплексного использования и охраны окружающей среды.

  Существующие в настоящее время подходы к оценке изменения физико-механических и физико-химических свойств  ископаемых углей при решении проблем их добычи и переработки основываются преимущественно на данных об их петрографическом и химическом составе, а также стадии метаморфизма. Внедрение в практику горнопромышленной геологии  петрографических методов анализа, осуществленное , и др., создание под руководством единой промышленно-генетической классификации углей, позволили определить ряд их количественных параметров, отражающих влияние генезиса и метаморфизма на физико-механические и физико-химические свойства. Фундаментальные исследования сорбционных свойств углей, проведенные под руководством  , также позволили оценить влияние петрографического состава углей, находящихся в условиях их естественного залегания,  и их метаморфизма на развитие газодинамических явлений  в пластах.

  Однако в рамках существующих базовых представлений не находит объяснения природа существующих различий механических и физико-химических  свойств углей разных месторождений, имеющих идентичный петрографический состав и близкую стадию метаморфизма. Tакие различия связаны с ранее не учитываемыми структурно-текстурными особенностями базового компонента углей, определяющего их основные качественные свойства – гелифицированного на стадии генезиса витринита. Фундаментальные исследования осадочного процесса, выполненные в последние десятилетия прошлого века , 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.

  Все вышесказанное показывает, что на сегодняшний день существует два основных подхода к изучению структуры, физико-механических и физико-химических свойств углей. 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-текстурные 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.

Работа выполнялась в рамках проектов РФФИ 06-05-65189-а и 09-05-00263-а, а также Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 год» мероприятия 1.2.2 Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук (Государственный контракт №П1437).

Идея работы. Установление  фундаментальных зависимостей между структурными характеристиками углей разных генотипов и их физико-механическими и физико-химическими свойствами  в условиях воздействия полей различной физической природы и активных сред на основе представлений о преобразовании органического вещества углей на стадии генезиса. 

Цель работы. Обоснование и разработка методов изучения структурно-текстурных и структурно-химических особенностей углей различного генезиса и метаморфизма для определения динамики изменения их свойств в условиях воздействия полей различной физической природы и активных сред.

Задачи исследований

Обоснование применения представлений о структурно-текстурных и структурно-химических особенностях витринитов углей разных генетических типов для объяснения различий в свойствах изометаморфных  углей разных месторождений.  Параметризация изображений, полученных при микроскопическом исследовании шлифов углей в проходящем поляризованном свете, и разработка на этой основе метода определения генотипов, выбор в рамках этого метода количественных параметров, адекватно описывающих особенности углей разных генотипов.  Определение экспериментальных зависимостей между параметрами микроструктур углей и их физико-механическими свойствами в условиях воздействия полей различной физической природы и активных сред. Изучение влияния структурно-химических особенностей углей разных генотипов на процессы разрушения углей при механических и тепловых  воздействиях, сорбционном деформировании и окислении. Разработка на основе полученных результатов фундаментальных исследований роли генотипа в формировании качественных характеристик углей рекомендаций по их рациональному использованию.

Методы исследований:

- оптическая микроскопия углей в проходящем поляризованном свете для визуальной оценки генотипа;

- обработка изображений микроструктур углей с использованием  метода фликкер-шумовой спектроскопии (ФШС) для получения количественных параметров, адекватно описывающих структурно-текстурные особенности витринитов разных генотипов;

- методы определения физико-механических свойств углей: микротвердости, микрохрупкости, трещиноватости, дробимости, распределения частиц по размерам по ГОСТированным и апробированным методикам;

-  стандартные методы определения технического, элементного и петрографического состава углей;

- физико-химические методы определения содержания кислородсодержащих функциональных групп в углях;

-  экспериментальные методы механической, термической, криогенной и электромагнитной импульсной обработки углей;

- методы изучения сорбции углями органических жидкостей и газов;

- термогравиметрическое и ИК-спектрометрическое исследование углей;

- методы численного моделирования на основе экспериментальных данных по сорбции-десорбции углями активных веществ;

- метод ИМИДЖ-анализа для определения гранулометрического состава тонких классов углей.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

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. Такие различия связаны с ранее не учитываемыми структурными особенностями базового компонента углей, определяющего их основные качественные свойства – гелифицированного на стадии генезиса витринита. Переход от качественных оценок к количественным параметрам, адекватно описывающим структурно-текстурные особенности образцов углей, является основой использующегося для  их геолого-промышленной оценки метода  определения генетического типа.  При этом структурно-текстурные особенности углей,  заключающиеся в  отличии размеров, формы, взаимного расположения и степени разложения фрагментов лигнино-целлюлозных тканей, описываются параметрами, полученными при обработке изображений шлифов методом фликкер-шумовой спектроскопии (ФШС), отражающими  меру ступенчатости изменяющейся контрастности  и острийность в изменениях контрастности.  Физико-механические свойства углей, такие как микрохрупкость, трещиноватость и распределение частиц по классам крупности при механическом разрушении,  криогенном и комбинированном воздействии, определяются количественными ФШС-параметрами, отражающими структурно-текстурные особенности  углей разных генотипов. Такие характеристики, как  количественное соотношение между алифатическими и ароматическими составляющими органического вещества углей, содержание общего и функционального кислорода, а также степень снижения прочности углей при взаимодействии со специфическим сорбатом – диметиформамидом (ДМФА), определяют структурно-химические особенности углей разных генотипов. Использование вышеуказанных характеристик в рамках традиционных и разработанных методов изучения структурно-химических особенностей углей позволяет оценивать изменение их микротвердости  и микрохрупкости  при тепловых воздействиях, а также характер разрушения при сорбционном деформировании.  Характер разрушения при окислении пластовых проб углей разной крупности и количественные показатели образующейся при этом  трещиноватости определяются параметрами, отражающими структурно-текстурные особенности витринитов разных генотипов. Склонность изометаморфных углей разных генотипов к самовозгоранию зависит  от содержания в них кислорода, в первую очередь функционального, а также микропористости. Включение параметров, отражающих структурные особенности витринитов разных генотипов, в номенклатуру качественных характеристик углей  позволяет расширить возможности управления качеством добываемого топлива  за счет разработки оптимальных условий его термической подготовки и механического измельчения. а также обеспечить  комплексное использование углей в процессах получения композиционного водоугольного топлива и совместной переработки с твердыми полимерными отходами.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: большим объемом экспериментальных исследований, проведенных на образцах углей разных месторождений; использованием для характеристики углей стандартных и апробированных методик; использованием аппаратурного обеспечения с высокими метрологическими характеристиками; удовлетворительной корреляцией между структурно-текстурными параметрами, полученными при обработке изображений углей методом ФШС, и их базовыми физико-механическими характеристиками; сходимостью и воспроизводимостью результатов определения структурно-текстурных и структурно-химических параметров углей, выполняемых в разное время и при неоднократном повторении.