С помощью петрографических методов анализа можно оценивать и прогнозировать различные физические и технологические свойства углей, например, размолоспособность, склонность к ожижению и самовозгоранию, прочностные свойства кокса, особенности пластической массы и т. д. Однако это относится, в основном, к методам исследования углей, а не оценки их качества; поэтому эти методы пока не стандартизованы [4, 30, 36].
Придерживаясь принципа рассматривать в настоящей книге только стандартные методы изучения углей, авторы приводят в этом разделе три стандартных метода определения с помощью петрографического анализа таких физических свойств углей, как степень обогатимости, микротвердость, микрохрупкость и окисленность.
Известны методы определения обогатимости углей на основе результатов фракционного анализа (§ 20.3), но для этого требуется отбор больших проб углей. Ценность петрографического метода заключается в том, что его можно использовать для предварительной оценки и прогноза степени обогатимости углей по керновым пробам при разведке и эксплуатации. Сравнение результатов оценки обогатимости углей обычными и петрографическими методами дает близкие результаты.
Метод оценки обогатимости углей под микроскопом регламентирован в ГОСТ 18384–73 «Угли каменные. Петрографический метод определения степени обогатимости» (издание 2001 г.).
В соответствии с ГОСТ 18384–73 все каменные угли по степени обогатимости можно разделить на четыре класса: легкая, средняя, трудная и очень трудная степени обогатимости. При легкой степени обогатимости более 95% сухой беззольной массы угля извлекаются в концентрат, а при очень трудной степени обогатимости извлечение составляет менее 70%. Выход концентрата зависит от зольности исходного угля, поступающего на обогащение.
Для того чтобы оценить исследуемый уголь по степени обогатимости, необходимо рассчитать величину извлечения сухой беззольной массы угля в концентрат (в %). Для этого необходимо знать зольность исходного угля, а также выход и зольность концентрата. По ГОСТ 18384–73 все эти величины определяют с помощью количественного петрографического анализа.
Сущность метода заключается в подсчете под микроскопом на воздухе при увеличении в 200–300 раз в аншлиф-брикетах содержание микролитотипов угля (§ 21.3.3), органоминеральных сростков различной степени минерализации, минералов и пород. Подсчет производят в один этап точечным методом с набором не менее 200 точек. Одновременно определяют произвольный показатель отражения витринита.
При подсчете под микроскопом органические микролитотипы делят на три группы. Первая группа содержит до 30% инертинита, вторая — от 30 до 70%, третья — более 70%. Сростки объединяют в три группы: слабой минерализации — концентрат, средней — промежуточный продукт, сильной — хвосты, а в минеральных компонентах выделяют: пирит, сидерит, кальцит, кварц, каолинит, аргиллит и пр.
В стандарте приводятся величины средних плотностей органо-минеральных сростков различной минерализации, а также коэффициенты зольности этих органоминеральных сростков.
После изучения аншлиф-брикетов под микроскопом рассчитывают зольность исходного угля, возможные выходы и зольность продуктов обогащения с учетом средних плотностей микролитотипов, а затем величину извлечения сухой беззольной массы в концентрат и степень обогатимости каменного угля.
Механические свойства углей характеризуются несколькими показателями, например такими, как твердость, хрупкость, прочность, пластичность, дробимость и др. Оценка этих показателей необходима для разработки рациональных процессов добычи, использования и переработки углей.
Физико-механические свойства углей обусловлены стадией метаморфизма, петрографическим и химическим составом, особенностями структуры, содержанием и распределением минеральных включений, а также трещиноватостью углей [4, 7, 25, 36].
Неоднородность углей затрудняет определение, сравнение и интерпретацию результатов изучения механических свойств углей. Выбор однородных по свойствам минимальных участков поверхности угля является оптимальным для оценки этих свойств [7].
Согласно ГОСТ 17070–2014 «Угли. Термины и определения», микротвердость и микрохрупкость угля — это «твердость и хрупкость угля, определяемая на микроскопически малых участках поверхности и определяемая в установленных стандартом условиях».
Методы определения твердости и хрупкости углей под микроскопом регламентированы в ГОСТ 21206–75 «Угли каменные и антрацит. Метод определения микротвердости и микрохрупкости» (издание 2000 г.).
Сущность методов определения микротвердости и микрохрупкости заключается во вдавливании алмазного наконечника правильной четырехгранной пирамидки в испытуемый материал под действием определенной нагрузки, приложенной в течение определенного времени.
Получающиеся при этом отпечатки на поверхности испытуемого образца изучают под микроскопом.
Для определения микротвердости и микрохрупкости применяют прибор ПМТ-3 (микроскоп-твердомер).
Прибор устанавливают в помещении, где отсутствует вибрация.
Перед проведением испытания прибор настраивают по эталону каменной соли без полировки, на свежем сколе.
Микротвердость и микрохрупкость определяют на мацералах группы витринита каменных углей и антрацитов в аншлиф-брикетах или аншлиф-штуфах (§ 21.2).
Поверхность испытуемого образца должна быть установлена перпендикулярно к направлению перемещения алмазной пирамидки при вдавливании.
Испытание проводят на поверхностях витринита без видимых трещин.
Алмазную пирамидку нагружают вручную, плавно, без толчков в течение 10 с. Продолжительность выдержки под нагрузкой — 5 с, снятия нагрузки — 10 с.
Различие методов определения микротвердости и микрохрупкости состоит в следующем:
• при испытаниях на микротвердость применяют постоянную нагрузку (разную для каменных углей и антрацитов), а величину микротвердости определяют по длине диагонали отпечатка. Количество отпечатков устанавливают в зависимости от требуемой точности результата, но оно должно быть не менее 30. Отпечатки с дефектами, затрудняющими измерение длины диагонали, из расчетов исключают; • при испытаниях на микрохрупкость применяют переменные нагрузки, увеличивая их с определенным шагом от одной серии измерений к другой, и заканчивают при нагрузке, при которой сколы и трещины появляются у всех отпечатков. Количество отпечатков при каждой нагрузке (в каждой серии) должно быть равным 20. Величину микрохрупкости определяют по количеству отпечатков со сколами и трещинами в каждой серии.Величину диагонали отпечатка определяют на приборе ПМТ-3 с помощью барабана окулярного микрометра, цену деления которого устанавливают до проведения испытания.
Микротвердость выражают числом твердости (H), которое пропорционально отношению величины нагрузки к квадрату диагонали отпечатка.
Микрохрупкость выражают числом хрупкости (N), которое устанавливают по увеличению числа отпечатков со сколами и трещинами с ростом прилагаемой нагрузки .
Угли в природных условиях, а также в процессах добычи, транспортирования и хранения окисляются кислородом воздуха.
При окислении изменяются многие химические, физические и некоторые технологические свойства углей (теплота сгорания, спекаемость и др.).
Установлено, что основными факторами, определяющими интенсивность окислительного выветривания, являются стадия метаморфизма, петрографический состав и трещиноватость [30, 36].
Окисление углей сопровождается образованием трещин выветривания, форма и количество которых находятся в тесной связи с глубиной окисления. В менее окисленных углях трещины обычно имеют клиновидную форму, и этим они резко отличаются от трещин, образовавшихся в угле в процессе метаморфизма и тектонических перемещений. Образование трещин выветривания происходит только в коллините [30].
Образование трещин, пустот, дезинтеграция угольных зерен легли в основу петрографического метода определения окисленности каменных углей по ГОСТ 8930–2015 «Угли каменные. Метод определения окисленности».
Петрографический метод определения окисленности основан на изучении под микроскопом в иммерсии аншлиф-брикетов и количественном определении точечным методом отношения суммы выветрелых участков зерен к общему количеству участков зерен, попавших в поле зрения, в процентах [4, 7, 36].
Определение окисленности проводят в тех же условиях, что и определение мацерального состава углей (§ 21.3.2), а приготовление аншлиф-брикетов — в соответствии с § 21.2.
Выветрелость углей определяют по следующим микропризнакам:
• наличие клиновидных и разветвленных трещин в угольных зернах; с увеличением степени окисленности трещины распространяются в глубину зерен и становятся более ветвистыми; • нарушение монолитности угольных зерен (дезинтеграция), что свидетельствует о более сильном окислении; • наличие пустот и каверн выщелачивания черного цвета.Подсчет точек выветрелых и невыветрелых участков проводят отдельно. Аншлиф-брикет передвигают равномерно, как принято при мацеральном анализе, чтобы точки располагались по всей поверхности брикета. Общее число точек должно быть не менее 400.
Для изучения окисленности углей петрографическим методом не требуется проводить отбор больших проб углей. Это особенно важно при геологоразведочных работах для установления границ зон окисления углей.
