Фізичні властивості вугілля

Під фізичними властивостями твердих тіл розуміється їх специфічна поведінка при впливі певних сил і полів. Існує три основних способи впливу на тверді тіла, відповідні трьом основним видам енергії: механічний, термічний і електромагнітний. Відповідно виділяють три основних групи фізичних властивостей.

Механічні властивості зв’язують механічні напруження і деформації тіла, які відповідно до результатів широких досліджень механічних і реологічних властивостей твердих тіл, виконаних школою академіка.

П.О. Ребіндера, можна поділити на пружні, міцнісні, реологічні і технологічні. Крім того, при впливі на тверді тіла рідин або газів виявляються їх гідравлічні і газодинамічні властивості.

До термічних відносять властивості, які виявляються у вугіллі під впливом теплових полів, а до електромагнітних — властивості, які виявляються при впливі на вугілля електричних, магнітних полів і електромагнітних коливань.

До електромагнітних властивостей умовно можна віднести радіаційні, котрі проявляються при впливі на вугілля потоків мікрочастинок або електромагнітних хвиль значної жорсткості (рентгенівські, гамма-промені).

Питомий електроопір підвищується з переходом від бурого до кам’яного вугілля і досягає максимуму на середній стадії вуглефікації (Сdaf = 87%), а потім меншає із зростанням ступеня метаморфізму, складаючи у антрацитів 102−103 Ом· см.

Окиснення вугілля приводить до значного зниження його опору при температурах до 100 °C, коефіцієнт анізотропії кам’яного вугілля становить 1,73−2,55, антрациту 2,00−2,55. Нечисленні досліди показали, що опір цілика і порошку вугілля практично співпадають. Питомий електричний опір зростає із збільшенням зольності.

Фізичні властивості вугілля зумовлені їх хімічним складом, структурою і надмолекулярною організацією [2].

Фізичні властивості вугілля і мінеральних домішок істотно впливають на формування основних параметрів, які характеризують гранулометричний і фракційний склади, зміни останніх в процесах видобутку, транспортування і вуглезбагачення. вугілля паливо копалина енергетичний З механічною міцністю, крихкістю, подрібнюваністю вугілля та супутніх порід пов’язані гранулометричний склад, шлакоутворення і абразивний вплив на робочі поверхні. Густина вугільної речовини і мінеральних домішок, яка залежить від петрографічного і літологічного складу і стадії метаморфізму, насичення мінеральними вкрапленнями, їх дисперсність і характер зрощення з вугільною речовиною обумовлюють вихід і якість легких фракцій і характер їх розподілу. Ці параметри є визначальними при виборі схем і методів збагачення і напрямків раціонального використання продуктів збагачення.

Рядове вугілля і продукти його збагачення складаються із мінералів і мінеральних вкраплень в різних відношеннях як у насипній масі, так і в окремих кусках і зернах. У зв’язку з різною густиною органічного і мінерального компонентів, які входять до складу вугілля, густина вугілля, що досліджується, характеризує вміст в ньому органічної маси і мінеральних вкраплень.

Вміст мінеральних вкраплень у вугіллі та продуктах його збагачення і розсортування прийнято оцінювати посереднім показником — зольністю. Зола, яка утворюється при спалюванні вугілля, складається в основному з оксидів золоутворюючих елементів (кремнію, алюмінію, заліза, кальцію тощо), які містяться в мінералах домішок (кальцит, пірит, марказит, сидерит, анкерит, кварц, халцедон тощо), та ряду інших елементів, хімічно зв’язаних з органічною масою вугілля (гумати металів).

Уявна густина являє собою відношення маси натурального (з урахуванням пор і тріщин) тіла до його об'єму. Уявна густина завжди менша дійсної і для кам’яного вугілля становить 1100−1350 кг/мі, а для антрациту — 1550−1800 кг/мі.

Дійсна густина є кількісним виразом маси одиниці об'єму вугілля без пор і тріщин. Дійсна густина, яка перерахована на суху беззольну речовину, називається густиною органічної маси вугілля. Густина органічної маси вугілля та інших компонентів залежить від стадії метаморфізму, петрографічного і мінерального складу.

Насипна густина вугілля — відношення його маси до об'єму, що характеризує стан насипки в вагоні, бункері, штабелі чи інших ємностях. Насипна густина змінюється в залежності від густини, гранулометричного складу і вологості вугілля, а також від способів заповнення ємностей та прийомів ущільнення. При вільній засипці у випадку формування штабелю без ущільнення насипна густина залежить головним чином від кута природного укосу, який обумовлений коефіцієнтом тертя між зернами.

Кут природного укосу для рядового вугілля і антрацитів (середнього гранулометричного складу і вологості) становить: антрацит — 27−30%; вугілля середньої стадії метаморфізму — 35−40%; дрібне вугілля — 45−50%; шлам — 70−75%.

У процесі метаморфізму вугільна речовина зазнає змін під впливом зовнішніх сил і структурних трансформацій органічної маси. У результаті цих процесів виникає і перетворюється пориста структура вугільної речовини, змінюються розмір і загальний об'єм пор.

На ранніх стадіях вуглеутворення в органічній масі міститься багато полярних груп, і вугільна речовина має розгалужену систему крупних пор, з чим пов’язана її висока здатність до адсорбції вологи. З ростом метаморфізму вміст полярних груп знижується, при цьому зменшується число крупних пор, утворюється нова система мікропор, які грають основну роль при взаємодії вугілля з газами та рідиною [3].

Основні фізико-механічні властивості вугілля:

• — пружність — здатність відновлювати свої первинні розміри після зняття навантаження;
• — пластичність — здатність зберігати деформацію аж до межі текучості після зняття навантаження;
• — твердість — здатність чинити опір пружним і пластичним деформаціям;
• — міцність — здатність чинити опір руйнуванню при дії напружень;
• — крихкість — здатність руйнуватися без помітного поглинання енергії;
• — дробимість — властивість, що визначається сукупністю твердості;
• — в'язкості і тріщинуватості;
• — тривкість — умовне поняття, яке символізує сукупність механічних властивостей і виявляється в різних технологічних процесах при видобутку і переробці вугілля.

Є невелика кількість робіт по визначенню пружних властивостей вугілля, однак результати, отримані різними дослідниками при застосуванні статичних і динамічних методів, суттєво відрізняються. Наприклад, значення модуля Юнга, отримані статичним методом, менше на порядок, ніж значення, отримані динамічним методом.

Відношення констант пружності для гомогенної пружної речовини, визначених статичним і динамічним методами, за законами термодинаміки повинне дорівнювати відношенню теплоємності при постійних тиску і об'ємі, а оскільки для твердих тіл воно приблизно дорівнює одиниці, то обидва методи повинні давати ідентичні результати. Різниця в значеннях констант пружності в цьому випадку може бути пояснена наявністю капілярних тріщин, які є в зразку вугілля, і завдяки яким вугілля має більшу деформаційну здатність, ніж слід би чекати за його істинно константою пружності, так що статична константа буде занижена. Для виключення помилок при вимірюваннях рекомендується провести їх при великих частотах і отриману при цьому динамічну константу приймати за істинну або визначати модуль пружності одних і тих же зразків різними методами.

Потрібно зазначити, що у всіх випадках спостерігається єдина закономірність зміни пружних властивостей в ряду вуглефікації. У молодого вугілля вона росте, досягаючи максимуму у неспекливого кам’яного вугілля, потім різко падає на стадії коксівного вугілля, і знов різко зростає у вугілля із вмістом вуглецю понад 90%. Такий характер зміни пружних властивостей в ряді вуглефікації свідчить про наявність декількох етапів в зміні структури і надмолекулярної організації вугілля.

Зміна пластичності вугілля в ряді вуглефікації зворотно пропорціональна зміні пружності. Крихкі речовини, до яких можна віднести вугілля, схильні до пластичної деформації без руйнування при великому ізотропному тиску і анізотропних напруженнях.

Існує велика кількість методів і показників, що характеризують твердість вугілля, його опір деформаціям. Найбільший інтерес представляє вимірювання мікротвердості визначенням твердості малих поверхонь, що дуже істотно при дослідженні неоднорідного вугілля. Визначаючи мікротвердість методом вдавлювання, можна також отримати пластичні відбитки, уникаючи їх розтріскування.

Результати досліджень за цим методом показали, що крихка речовина вітрена більш тверда, ніж крихкий і більш неоднорідний дюрен. Буре вугілля має найменшу мікротвердість, яка росте по мірі вуглефікації від 60 МПа у підмосковного вугілля, до 166 МПа у блискучого челябінського вугілля. Серед кам’яного вугілля найменшу мікротвердість має довгополуменеве вугілля (140−180 МПа), у газового вугілля вона помітно росте. Мікротвердість вугілля марок Ж, К, ПС приблизно однакова, а при переході до пісного вугілля і антрацитів вона різко підвищується, складаючи в середньому у перевірених зразків антрацитів 900 МПа.

Міцнісні властивості вугілля і засмічуючих порід пов’язані з абразивністю цих матеріалів, що має вирішальний вплив на термін служби поверхонь, які стикаються з транспортованим і оброблюваним матеріалом. Дослідження абразивності різних компонентів рядового вугілля і продуктів збагачення виявили, що головна роль в їх абразивному впливі належить породним домішкам, абразивність яких на один і навіть на два порядки вища, ніж у вугільних фракцій. При збагаченні антрацитів, абразивність яких сумірна з абразивністю засмічуючих порід, знос обладнання більше ніж в 2 рази інтенсивніший.

Міцність з практичної точки зору є найбільш важливою фізико-механічною властивістю вугілля, так як вона характеризує руйнування при добуванні, транспортуванні, дробимість при технологічному подрібненні і пилеутворюючу здатність. Міцність визначається різними методами за результатами випробування вугілля в різних пристроях, що дроблять. За кордоном найбільш відомі «випробування на здатність до подріблення кульовим млином» і метод Хардгрове, які прийняті як стандартні. У цих методах застосовується млин для тонкого подрібнення з регульованою швидкістю обертання. Міцність мінімальна при вмісті вуглецю 89−90%.

При вивченні вугілля Донбасу встановлено, що міцність, визначена за методом копра, змінюється з мінімумом в зоні коксівного вугілля. При переході від вугілля, що спікається, до пісного і антрацитів міцність зростає майже в 13 разів. Коливання міцності ізометаморфного вугілля значні, що пояснюється впливом генетичних чинників. Так, у пісного вугілля і антрацитів велика механічна міцність відповідає маловідновленному вугіллю.

Дослідження міцності окремих петрографічних інгредієнтів показало, що найміцнішим є напівматове щільне вугілля дюренового типу. Менша міцність напівматового зернистого вугілля пов’язана з менш однорідною будовою.

Значно менш міцним виявилося блискуче вугілля, складене вітреном і клареном, що пояснюється крихкістю його блискучих інгредієнтів.

При визначенні опору розтискання встановлено, що більш міцним є матове дюренове вугілля. Фюзен має найбільшу крихкість, кларен і вітрен займають проміжне положення [2].

Крихкість вугілля — властивість руйнуватися при механічній дії на нього без застосування спеціальних приладів для подрібнювання і накладання зовнішніх зусиль. Найбільш повно ця властивість проявляється під час транспортування при співударах кусків, перепадах в жолобах і переміщуванні ними. Руйнування кусків вугілля в значній мірі визначається не тільки крихкістю вугільної речовини, але і наявністю тріщин. Як метод узагальненої характеристики опору вугілля подрібнюванню може служити ситовий аналіз.

Оптичні властивості (колір, блиск, прозорість, заломлення світла, відбивна здатність) тісно пов’язані з молекулярною структурою органічної речовини вугілля і закономірно змінюються в залежності від змін цієї структури під впливом факторів метаморфізму.

Діелектричні властивості вугілля характеризуються діелектричною проникністю, яка різна для сухого і вологого вугілля і змінюється в залежності від стадії метаморфізму. Підвищення вологості вугілля приводить до збільшення діелектричної проникності. На залежності діелектричної проникності від вологості вугілля базується діелектричний метод вимірювання останньої.

За магнітними властивостями вугілля відносять до діамагнітних речовин, для яких інтенсивність намагнічування пропорційна напруженості магнітного поля. Мінеральні домішки вугілля характеризуються парамагнітними властивостями.

Таким чином, зміна механічних властивостей вугілля в ряді вуглефікації пов’язана з їх структурними особливостями і надмолекулярною організацією і може отримати наукове обґрунтування при зіставленні з параметрами молекулярної структури і будови на різних рівнях [3].