7.2.2. Фізичні властивості

Властивості вугілля як об'єкту збагачування та використання в значному ступені пов'язані з його фізичними властивостями. 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.

З механічною міцністю, крихкістю, подрібнюваністю вугілля та супутніх порід пов'язані гранулометричний склад, шламоутворення 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.

Густина органічної маси, супутніх порід, рядового вугілля, продуктів їх збагачення і розсортування в залежності від розглядуваного стану об'єкту може бути оцінена різними показниками.

Рядове вугілля і продукти його збагачення складаються із мацералів 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/м3, а для антрациту – 1550–1800 кг/м3.

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 (в градусах): антрацит – 27–30; вугілля середньої стадії метаморфізму – 35–40; дрібне вугілля – 45–50; шлам – 70–75.

Пористість. 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.

Пори у вугіллі можна розділити на макропори із середнім діаметром 5·10–7 м (500 A° ) і мікропори з діаметром (5–15)·10–9 м (5–15 A° ). Площа внутрішньої поверхні макропор становить близько 1 м2/г, а мікропор ~ 200 м2/г.

Механічна міцність вугілля і забруднюючих порід оцінюється подрібнюваністю, твердістю, крихкістю, часовим опором стисненню і термічною стійкістю, яка відбиває опір зовнішнім зусиллям при високих температурах.

Подрібнюваність вугілля показує його здатність чинити опір руйнуванню під дією зовнішніх зусиль, які передаються вугіллю безпосередньо дробильними приладами (молотками, зубилами, кулями, плоскими поверхнями тощо). Кількісно подрібнюваність визначається питомою роботою, яка витрачається на утворення нової поверхні, чи відношенням розмірів кусків вугілля до і після подрібнювання. У світовій практиці цей показник прийнято визначати методом Хардгроу.

Подрібнюваність вугілля суттєво змінюється в залежності від стадії метаморфізму. Вона збільшується при переході від високої і низької стадій метаморфізму до середньої, досягаючи максимуму в області, яка характеризується виходом летких речовин 14–28%.

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.

Мал. 7.11. Викопне кам'яне вугілля

Твердість вугілля оцінюється здатністю протидіяти проникненню в нього іншого, більш твердого тіла. Твердість вугілля звичайно визначають за допомогою приладів Роквелла, Бринелля або Вікерса (алмазна пірамідка), якими вимірюють його опір роздавлюванню при статичних навантаженнях. Твердість також може бути знайдена методом Шора (склероскопічний аналіз), при якому втрата кінетичної енергії падаючого металевого предмету, що поглинається при зіткненні з випробуваним зразком, визначається за висотою відскоку.

Твердість кам'яного вугілля за шкалою Мооса становить 2–5.

Пружні властивості вугілля характеризуються часовим модулем пружності (модуль Юнга), який можна визначити статичним методом (опором стиску чи вигину), а також динамічним – накладанням механічних вібрацій.

Коефіцієнт тертя характеризує взаємодію вугілля з робочими поверхнями у випадках транспортування і обробки. Це одна з важливих характеристик при виборі кута нахилу і футерувального матеріалу для жолобів і транспортних трактів, якими переміщують рядове вугілля і продукти його збагачення.

Для визначення міцності вугілля і засмічуючих порід застосовують метод товчення, розроблений М.М. Протодьяконовим.

Абразивність. 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.

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.

Відбивна здатність R – одна з найбільш важливих оптичних характеристик, які застосовуються для діагностики і оцінки компонентів вугілля. Вона вимірюється відношенням відбитого світла Lв до падаючого Lп, вираженим у відсотках: R = 100 Lв/Lп .

Відбивна здатність вітриніту прийнята як параметр визначення стадії метаморфізму у класифікації вугілля, встановленні меж між бурим і кам'яним вугіллям, кам'яним вугіллям і антрацитами.

Електричні властивості вугілля визначаються їх електричною провідністю. Викопне вугілля може бути віднесене до напівпровідників. Питомий електричний опір, виміряний для порошку, при кімнатній температурі та атмосферному тиску становить для кам'яного вугілля середньої стадії метаморфізму 1010–2·1010 Ом·см, для антрацитів – 5·105–2·106 Ом·см. Термічна обробка вугілля і антрацитів приводить до значного зниження електричного опору, який досягає мінімального значення при їх витримці в інтервалах температур 1100–1300°С.

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.

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

Питома магнітна сприйнятливість χ (см3/г) діамагнітних речовин негативна і становить для вугілля близько 10–6 см3/г; для парамагнітних речовин, якими представлені мінеральні домішки, вона позитивна і змінюється в діапазоні 10–6–10–3 см3/г.

 

Протодьяконов Михайло Михайлович [22.9 (4.10) 1874–5.4.1930] – російський вчений в галузі гірничої справи. Після закінчення Петербурзького гірничого інституту (1899) був заарештований за звинуваченням у соціал-демократичній пропаганді й до 1904 р., перебуваючи під наглядом поліції, працював завідувачем Садонського свинцевого рудника на Північному Кавказі. З 1904 року – асистент кафедри гірничого мистецтва в Катеринославському вищому гірничому училищі (з 1908 р. – професор), з 1914 р. – у Ташкенті, де був одним з організаторів Туркестанського народного університету (1918); з 1925 р. викладав одночасно у Московській гірничій академії. Основні праці – з проблем гірничого тиску, рудничного кріплення, рудничної вентиляції, технічного нормування в гірничій промисловості. М.М. Протодьяконов створив оригінальну теорію гірничого тиску (1907) та вивів формулу для його розрахунку, розробив шкалу коефіцієнта міцності гірничих порід.
Твори: Давление горных пород и рудничное крепление, ч. 1–2. – М., 1930–1933; Проветривание рудников, 5-е изд.– М.; Л., 1931; Составление горных норм и пользование ими, 2-е изд.–М.; Л.: Новосиб., 1932.

Теплотехнічні властивості вугілля.

Питома теплота згоряння характеризує одну із найважливіших властивостей вугілля, які визначають його цінність як джерела одержання теплової енергії. Вона змінюється в широких межах і залежить як від властивостей і складу органічної маси, так і від зольності та вологості вугілля.

При оцінці теплоти згоряння користуються показниками для палива в робочому стані Qirчи для горючої маси Qidafпалива. Показник Qidaf  є не тільки теплотехнічним параметром, але й однією з характеристик стадії метаморфізму і складу органічної маси вугілля. Теплоту згоряння твердого палива визначають стандартним методом, який полягає в повному спалюванні наважки палива у кисні під тиском в калориметричній бомбі (при постійному об'ємі) в ізотермічному режимі.

Теплота згоряння з достатнім ступенем наближеності може бути знайдена за елементним складом вугілля.

Для визначення вищої теплоти згоряння (у кДж/кг) застосовують формулу Д.І. Менделєєва:

,

де – вміст відповідно вуглецю, водню, кисню і сірки у вихідному вугіллі, %.

Більш висока точність розрахункової теплоти згоряння палива може бути одержана за формулою

де Wt – наявність вологи у вихідному вугіллі, %.

Технічним аналізом називають комплекс методів визначення вологості, зольності вугілля, виходу летких і вмісту загальної сірки.

Вміст загальної вологи на робочу масу вугілля Wtr визначають за втратою маси за заданий час у сушильній шафі при температурі 105–110°С або прискореним методом – при 160°С. Існують також методи визначення зовнішньої, внутрішньої (капілярної) і гігроскопічної (рівноважної) вологи, а також максимальної вологоємності.

Вихід летких речовин на суху масу вугілля Vd визначають за втратою маси в стандартних умовах прожарювання (в фарфоровому тиглі із закритою кришкою протягом 7 хвилин при 860°С ). Вихід летких в стандартних умовах, перерахований на суху беззольну масу вугілля Vdaf, для вугілля гумусо-сапропелітового типу монотонно знижується з підвищенням ступеня вуглефікації (метаморфізму), відбиває здатність вугілля до переробки шляхом екстракції, термічного розчинення, гідрогенізації, напівкоксування, до запалювання, а також реакційну здатність твердого залишку в процесах горіння і газифікації. Разом з цим треба враховувати, що вихід летких в залежності від умов процесу може істотно відрізнятися від стандартно визначеного.

Зольність на суху масу вугілля визначають за масою залишку від спалювання наважки вугілля в стандартних умовах муфельної печі при температурі 800–830°С. Зольність опосередковано відображає наявність мінеральної складової вугілля без врахування розкладання карбонатів, випаровування лужних металів і хлору (в засоленому вугіллі) і ряду інших факторів. Останнім часом знайшли розповсюдження безконтактні методи визначення зольності, основані на різній взаємодії органічної і мінеральної частин вугілля з джерелами іонізуючих випромінювань.

Знання зольності вугілля надзвичайно важливе, оскільки вона обмежує його використання для спалювання і газифікації.

Вміст загальної сірки на суху масу вугілля визначають методом Ешка, який базується на поглинанні сірки сумішшю магнезії і безводної соди при спалюванні наважки вугілля в муфельній печі. Вміст сірки обумовлює викиди її сполук в процесах переробки вугілля. Для оцінки ступеня знесірчення вугілля при його збагаченні необхідне знання вмісту піритної, сульфатної і органічної сірки, яке визначають відповідними аналізами.

При нагріванні в інертному середовищі органічна частина вугілля втрачає слабо зв'язані приєднані, аліфатичні і найменші ароматичні фрагменти, а твердий залишок за ступенем ароматичності й фізичними властивостями наближається до графіту, який має температуру плавлення більше 3000°С. Мінеральна ж частина вугілля втрачає значно меншу частку маси (головним чином за рахунок розкладання карбонатів до газоподібного СО2 і оксидів металів) і починає плавитися при істотно більш низьких температурах. Через складний вміст мінеральної частини вона характеризується не температурою плавлення, а плавкістю – сукупністю температур початку деформації (tA), плавлення напівсфери (tB) і рідкоплавкого стану (tC), які розташовані в ряді tA < tB < tC. Температури плавкості золи лежать в межах 950–1450°С. З ростом частки кремнію вони збільшуються, лужних і лужноземельних металів – зменшуються.

Термічні коефіцієнти вугілля. До основних термічних показників, які характеризують теплові властивості вугілля, відносяться теплопровідність λ [Вт/(м · °С)], температуропровідність a (м²/с) і теплоємкість C [Дж/кг · °С]. Ці коефіцієнти пов'язані між собою рівнянням

λ=α C ρ_H ,
де ρ_H– насипна густина матеріалу, кг/м3.

Теплопровідність вугілля залежить від теплопровідності органічної маси, пористості, зольності та вологості вугілля. Із зростанням зольності (вмісту мінеральних домішок і вкраплень) і вологості теплопровідність і температуропровідність вугілля збільшуються..

Теплоємкість увугілля лінійно зменшується із зростанням ступеня метаморфізму і збільшується з підвищенням вологості вугілля. Із збільшенням зольності теплоємкість вугілля знижується.

Середня питома теплоємкість при 20°С для мінеральних домішок не перевищує 0,8 кДж/(кг · °С), а для вугілля – 1,04–5,43 кДж/(кг · °С).

За тепловими властивостям вугілля наближається до теплоізоляторів.