По мере развития петрографического анализа для микроскопического исследования углей применяли сначала тонкие прозрачные шлифы для изучения в проходящем свете, затем полированные куски угля (аншлиф-штуфы) для изучения в отраженном свете и, наконец, аншлиф-брикеты из измельченного угля для изучения в отраженном свете.
Изготовление аншлиф-брикетов из представительных проб измельченного угля было большим достижением в петрографическом анализе, так как результаты испытаний можно было отнести ко всей массе испытуемого угля, подобно тому, как это происходит при проведении технического и элементного анализов.
Выбор препаратов для петрографического анализа предопределяется задачами исследования и возможностями изготовления препаратов из углей.
Мацералы бурых и каменных углей низких стадий метаморфизма можно изучать как в проходящем свете в тонких шлифах, так и в аншлиф-брикетах в отраженном свете, а мацералы каменных углей средних и высоких стадий метаморфизма и антрацитов — только в аншлиф-штуфах или аншлиф-брикетах в отраженном свете.
В настоящее время в практической петрологии углей наибольшее распространение получили препараты твердого топлива в виде аншлиф-брикетов для проведения количественных микроскопических определений в отраженном свете.
Согласно ГОСТ Р 58221–2018 (ИСО 7404-1:2016):
«Аншлиф-брикет (particulate block) — твердый блок, состоящий из частиц измельченного угля, представляющих соответствующим образом подготовленную пробу, полученный в специальной форме в присутствии связующего вещества, одна из поверхностей которого отшлифована и отполирована».
«Аншлиф-штуф (lump section) — кусок угля, размеры которого пригодны для полирования и исследования под микроскопом. Одну поверхность куска, обычно перпендикулярную плоскости наслоения, шлифуют и полируют».
Методы изготовления образцов угля для микроскопических исследований приведены в ГОСТ Р 55663–2013 (ИСО 7404-2:2009) «Методы петрографического анализа углей. Часть 2. Методы подготовки проб углей».
Этот стандарт распространяется на угли бурые, каменные, антрациты (угли низкой, средней и высокой стадий метаморфизма), на породы с включениями твердого рассеянного органического вещества и устанавливает методы приготовления полированных брикетов из измельченных проб (аншлиф-брикетов) и полированных образцов из цельных кусков проб (аншлиф-штуфов) для анализа под микроскопом в отраженном свете.
Приготовление аншлиф-брикетов
Сущность метода приготовления аншлиф-брикета заключается в том, что представительную пробу измельченного воздушно-сухого угля смешивают со связующим веществом. Из смеси формуют брикет, одну сторону которого шлифуют и полируют до получения гладкой поверхности без рельефа и царапин для изучения ее под микроскопом в отраженном свете.
Таким образом, приготовление аншлиф-брикетов состоит из четырех последовательных операций: приготовление пробы угля нужной степени измельчения, изготовление из пробы брикета с помощью связующего вещества, шлифование и полирование брикета. Если петрографический анализ угля делают впервые, или уголь имеет сложный петрографический состав, то из одной пробы готовят два аншлиф-брикета.
Связующие вещества должны отвечать следующим требованиям:
• не вступать в химические реакции с углем и иммерсионным маслом;
• легко смачивать поверхность угольных частиц и легко проникать в поры и трещины;
• жидкие связующие вещества, такие как полиэфирная смола, должны иметь температуру отвердевания менее 100 °С, предпочтительно — менее 60 °С;
• термопластичные вещества, такие как полиметилметакрилат (ПММА), должны иметь температуру перехода в пластичное состояние около 120 °С;
• надежно обеспечивать сохранность угольных частиц при шлифовании и полировании поверхности брикета;
• заметно отличаться от угольных частиц при фокусировке под микроскопом в иммерсионном масле;
• твердость должна быть такой, чтобы при шлифовании и полировании можно было получить плоскую поверхность без рельефа и царапин, т. е. твердость связующего вещества должна быть близкой к твердости угля;
• при отвердевании не должно происходить большого изменения объема, что могло бы вызвать повреждение угольных частиц;
• вязкость жидкого связующего вещества должна быть такой, чтобы минимизировать возможность сегрегации угольных частиц.
Этим требованиям отвечают следующие связующие: чешуйчатый шеллак, канифоль сосновая с парафином (10:1), синтетические смолы (эпоксидные, полиэфирные или порошок ПММА) с отвердителем, канадский бальзам.
Шлифовальные абразивные материалы представляют собой мелкодисперсные порошки некоторых минералов, нанесенные на листовую основу или диск. В качестве абразивных материалов используют карбид кремния (комплект порошков с уменьшающимся размером частиц, например, 53,5 мкм – 23,6 мкм – 16,0 мкм), алмазный порошок с размерами частиц 15 мкм, корунд (набор микропорошков М-5, М-7, М-14 и М-20).
Полировальные абразивные материалы представляют собой водные суспензии оксидов металлов (хрома, магния, алюминия, цинка), алмазные пасты с убывающим размером частиц или коллоидные суспензии кремния. На конечной стадии полирования используют абразив с максимальным размером частиц 0,05 мкм. Листовой основой для нанесения полировального абразива (полировальным диском) является хлопковая, шелковая или синтетическая ткань с минимальным ворсом.
Приготовление пробы угля. Лабораторную пробу для общего анализа (крупность менее 3 мм) сокращают по ГОСТ 10742–71, измельчают до крупности менее 1 мм с минимальным количеством мелких фракций доводят до воздушно-сухого состояния. Допускается измельчать пробу до крупности не более 1,6 мм. Доля класса 0–0,5 мм в пробе не должна превышать 40%.
Масса пробы, приготовленной для петрографического анализа, должна составлять приблизительно 50 г.
Брикетирование. Оптимальные размеры брикета: диаметр 20 мм или 40 мм, высота не более 15 мм (до обработки). Площадь стороны брикета, предназначенной для шлифования и полирования, должна быть не менее 400 мм2 или 600 мм2.
Требования к качеству аншлиф-брикета:
• равномерное распределение угольных зерен во всем объеме брикета;
• на исследуемой поверхности брикета угольные зерна должны составлять не менее 50–60% площади. Это достигается соблюдением установленного соотношения «уголь – связующее» и тщательным перемешиванием смеси.
Методика приготовления брикета зависит от типа связующего вещества и имеющегося в лаборатории оборудования. Последнее включает пресс с ручным, винтовым или гидравлическим приводом, который должен обеспечивать давление до 17 МПа, металлическую форму для отверждения смеси угля со связующим веществом, снабженную устройством для удаления брикета из формы после затвердевания, а также кольца (стеклянные или пластмассовые) диаметром 20 мм и высотой 15 мм.
Приготовленную пробу угля массой около 50 г рассыпают на противень, тщательно перемешивают, разравнивают (высота слоя угля должна составлять около 5 мм) и делят на квадраты 20×20 мм. Из всех квадратов отбирают порции, общая масса которых составляет 2–3 г. Из такой представительной навески готовят аншлиф-брикеты.
Приготовление брикетов с использованием шеллака. Навеску угля 2–3 г смешивают с таким же объемом шеллака, измельченного до размера зерен менее 1 мм или менее 1,6 мм, в зависимости от размера зерен угля. Тщательно перемешанную смесь высыпают в подогретую до 60 °С (температура плавления шеллака) металлическую ложку (объем ложки не менее 5 см3) или тигель; образовавшуюся массу слегка оплавляют над электроплиткой, помещают в пресс-форму, и нажатием рукой на плунжер в течение 30 с прессуют смесь угля и шеллака.
Приготовление брикетов с использованием канифоли. Из стеклянной трубки диаметром 20 мм нарезают кольца высотой 15 мм. Кольцо устанавливают на предметное стекло и на 3/4 объема засыпают углем, который уплотняют деревянным стержнем. Предметное стекло с кольцом помещают в нагретый до 90–100 °С сушильный шкаф на 15–20 мин. Одновременно расплавляют в фарфоровой чашке канифоль с парафином (10:1) и наливают ее в нагретые кольца с углем как можно полнее и снова ставят их в сушильный шкаф. Через 5–10 мин канифоль проходит через весь слой угля. Кольца вынимают из сушильного шкафа, и после охлаждения брикет отделяют от предметного стекла и кольца.
Приготовление брикетов с использованием синтетических смол. Смолу смешивают с отвердителем в соответствии с инструкцией по применению. Приготовленную смесь тщательно перемешивают с углем в отношении 3:2 и переносят в форму, например, в стеклянные кольца. При комнатной температуре образец затвердевает в течение 24 ч, при 55–60 °С в сушильном шкафу — в течение 1 ч.
При использовании метода, основанного на прессовании, смесь смолы с углем в отношении 1:3 предварительно нагревают до температуры 55–60 °С и затем прессуют в прессе при давлении 14–17 МПа. Брикет затвердевает в течение одного часа.
Шлифование и полирование аншлиф-брикета. Одну сторону брикета шлифуют на специальных шлифовальных станках с использованием шлифовальных материалов (микропорошков, паст, шлифовальной бумаги) с убывающим размером зерен.
Полируют аншлиф-брикеты на станке, диск которого покрыт сукном. Для предварительного полирования применяют оксид хрома или оксид алюминия с величиной зерен не менее 0,3 мкм в виде взвеси в воде. Для окончательного полирования используют оксиды алюминия, магния, цинка или алмазную пасту с величиной зерен менее 0,05 мкм.
После каждой стадии шлифования и полирования поверхность брикетов тщательно промывают сильной струей воды или в ультразвуковой ванне.
Подробное описание процессов шлифования и полирования аншлиф-брикетов приведено в ГОСТ Р 55663–2013 (ИСО 7404-2:2009).
Аншлиф-брикет считают готовым к микроскопическому исследованию, если вся его поверхность имеет однородный блеск, под микроскопом при увеличении 200-300 Х на воздухе отчетливо различается микроструктура угля с четко выраженными границами мацералов (раздел 21.3.2), а поверхность зерен витринита гладкая, без мелких царапин.
Приготовление аншлиф-штуфов
Приготовление аншлиф-штуфов из угля или породы с включениями твердого рассеянного органического вещества состоит из трех последовательных операций: куски угля или породы размером 30×30×30 мм или 20×20×20 мм пропитывают для придания им прочности и монолитности, а затем шлифуют и полируют.
Для приготовления аншлиф-штуфов углей отбирают куски от основных пластообразующих литотипов или из керна буровых скважин.
Для приготовления аншлиф-штуфов из пород с включениями твердого рассеянного органического вещества отбирают образцы, в которых включения видны невооруженным глазом, или если по типу отложений можно предположить их наличие. Размер образцов зависит от возможности отбора.
Пропитка кусков угля или породы. В качестве пропитывающих веществ применяют синтетические смолы, карнаубский воск, канифоль и др.
Пропитка полиэфирной смолой. Кусок угля помещают в пресс-форму и добавляют жидкую полиэфирную смолу в таком количестве, чтобы полностью покрыть кусок угля. Для проникновения смолы в поры и пустоты угля рекомендуют поместить пресс-форму в герметичный контейнер и несколько раз снизить и поднять давление в нем.
Пропитка канифолью, растворенной в ксилоле. Для пропитывания некоторых видов углей и пород с включениями отобранные образцы помещают в фарфоровую чашку, насыпают канифоль и наливают ксилол (3 см3 на 1 г канифоли). Чашку помещают на закрытую плитку и нагревают для растворения канифоли. Нагрев продолжают в течение 50–60 мин до полного выпаривания ксилола.
Шлифование и полирование аншлиф-штуфа. Шлифуют две взаимно параллельные плоскости пропитанного образца, перпендикулярные плоскости наслоения, а затем полируют одну из них. Для шлифования и полирования аншлиф-штуфов используют такое же оборудование и такие же материалы, что при изготовлении аншлиф-брикетов.
Приготовление тонких шлифов
Тонкие шлифы для исследования углей в проходящем свете приготавливают из аншлиф-брикета или аншлиф-штуфа следующим образом: отполированную поверхность приклеивают с помощью эпоксидной смолы или канадского бальзама к предметному стеклу; затем толщину брикета или штуфа стачивают на шлифовальном станке, сначала грубым, а потом все более тонким абразивом, до получения тонкой просвечивающей пластинки; шлиф полируют самым тонким порошком.
