Прогноз образования взвешенной аэрозольной угольной пыли при механических воздействиях. Часть 1. Влияние структуры углей разной стадии метаморфизма на механическое поведение при циклическом нагружении

Проведено исследование механических свойств углей на микроуровне и характера их разрушения при циклическом нагружении. Прочность углей в целом увеличивается с увеличением стадии метаморфизма. Для рассмотренных образцов углей после экспериментов по циклическому наноиндентированию и оценки нового параметра Ecompaction были выявлены три основных характера разрушения: «локальный», «в объеме» и «переходная зона». Отнесение углей к группам в соответствии с характером разрушения не определяется стадией метаморфизма. Однако параметр Ecompaction линейно увеличивается с ростом отношения доли аморфного углерода к кристаллитному (параметр S), рассчитанного с использованием рамановской спектроскопии. «Переключение» между группами происходит, когда S достигает 1. Таким образом, угли из группы «локальное разрушение» характеризуются преобладанием кристаллического углерода в веществе витринита, угли из группы «разрушение в объеме» – это угли с преобладанием аморфного углерода. Угли из группы «переходная зона» характеризуются равным соотношением аморфного и кристаллитного углерода в витрините.

Эпштейн С. А., Коссович Е. Л., Минин М. Г., Добрякова Н. Н., Гаврилова Д. И. Прогноз образования взвешенной аэрозольной угольной пыли при механических воздействиях. Часть 1. Влияние структуры углей разной стадии метаморфизма на механическое поведение при циклическом нагружении // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2023. – № 4. – С. 107–124. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_ 4_0_107.

Работа выполнена при поддержке Программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Эпштейн Светлана Абрамовна¹ — д-р техн. наук, зав. лабораторией, e-mail: apshtein@yandex.ru,
Коссович Елена Леонидовна¹ — канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, e-mail: e.kossovich@misis.ru,
Минин Максим Геннадьевич¹ — ведущий инженер научного проекта,
Добрякова Надежда Николаевна¹ — канд. техн. наук, научный сотрудник,
Гаврилова Дарья Ивановна¹ — канд. техн. наук,
¹ НУИЛ ФХУ, НИТУ «МИСиС».

Коссович Е.Л., e-mail: e.kossovich@misis.ru.

1. Trechera P., Moreno T., Córdoba P., Moreno N., Zhuang X., Li B., Li J., Shangguan Y., Dominguez A. O., Kelly F., Querol X. Comprehensive evaluation of potential coal mine dust emissions in an open-pit coal mine in Northwest China // International Journal of Coal Geology. 2021, vol. 235, article 103677. DOI: 10.1016/J.COAL.2021.103677.

2. Fabiano B., Currò F., Reverberi A. P., Palazzi E. Coal dust emissions: From environmental control to risk minimization by underground transport. An applicative case-study // Process Safety and Environmental Protection. 2014, vol. 92, no. 2, pp. 150—159. DOI: 10.1016/j. psep.2013.01.002.

3. Liu T., Liu S. The impacts of coal dust on miners’ health: A review // Environmental Research. 2020, vol. 190, article 109849. DOI: 10.1016/j.envres.2020.109849.

4. Zhang R., Liu S., Zheng S. Characterization of nano-to-micron sized respirable coal dust: Particle surface alteration and the health impact // Journal of Hazardous Materials. 2021, vol. 413, article 125447. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2021.125447.

5. Moreno T., Trechera P., Querol X., Lah R., Johnson D., Wrana A., Williamson B. Trace element fractionation between PM10 and PM2.5 in coal mine dust: Implications for occupational respiratory health // International Journal of Coal Geology. 2019, vol. 203, pp. 52—59. DOI: 10.1016/j.coal.2019.01.006.

6. Cai P., Nie W., Chen D., Yang S., Liu Z. Effect of air flowrate on pollutant dispersion pattern of coal dust particles at fully mechanized mining face based on numerical simulation // Fuel. 2019, vol. 239, pp. 623—635. DOI: 10.1016/j.fuel.2018.11.030.

7. Li Q., Wang K., Zheng Y., Ruan M., Mei X., Lin B. Experimental research of particle size and size dispersity on the explosibility characteristics of coal dust // Powder Technology. 2016, vol. 292, pp. 290—297. DOI: 10.1016/j.powtec.2016.01.035.

8. Panov G. E. Dust formation kinetics as a function of the principal mechanical properties of coals // Soviet Mining Science. 1967, vol. 3, no. 5, pp. 511—514. DOI: 10.1007/BF02497948.

9. Zipf R. K., Bieniawski Z. T. Estimating the crush zone size under a cutting tool in coal // International Journal of Mining and Geological Engineering. 1988, vol. 6, no. 4, pp. 279—295. DOI: 10.1007/BF00880927.

10. Baafi E. Y., Ramani R. V. Rank and maceral effects on coal dust generation // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1979, vol. 16, no. 2, pp. 107—115. DOI: 10.1016/0148-9062(79)91447-5.

11. Hower J. C., Graese A. M., Klapheke J. G. Influence of microlithotype composition on hardgrove grindability for selected eastern Kentucky coals // International Journal of Coal Geology. 1987, vol. 7, no. 3, pp. 227—244. DOI: 10.1016/0166-5162(87)90038-3.

12. Organiscak J. A., Page S. J. Laboratory investigation of coal grindability and airborne respirable dust // Journal of the Mine Ventilation Society of South Africa. 1993, vol. 46, no. 7, pp. 98—105.

13. Hower J. C. Interrelationship of coal grinding properties and coal petrology // Minerals and Metallurgical Processing. 1998, vol. 15, no. 3, pp. 1—16. DOI: 10.1007/BF03403218.

14. Page S. J., Organiscak J. A. Using proximate analysis to characterize airborne dust generation from bituminous coals // Aerosol Science and Technology. 2002, vol. 36, no. 6, pp. 721— 733. DOI: 10.1080/02786820290038393.

15. Bagherieh A. H., Hower J. C., Bagherieh A. R., Jorjani E. Studies of the relationship between petrography and grindability for Kentucky coals using artificial neural network // International Journal of Coal Geology. 2008, vol. 73, no. 2, pp. 130—138. DOI: 10.1016/j.coal. 2007.04.002.

16. Organiscak J. A., Page S. J. Airborne dust liberation during coal crushing // Coal Preparation. 2000, vol. 21, no. 5-6, pp. 423—453. DOI: 10.1080/07349340108945630.

17. Page S. J., Organiscak J. A., Quattro J. Coal proximate analyses correlation with airborne respirable dust // Fuel. 1993, vol. 72, no. 7, pp. 965—970. DOI: 10.1016/0016-2361(93)90293-B.

18. Page S. J., Organiscak J. A. Suggestion of a cause-and-effect relationship among coal rank, airborne dust, and incidence of workers’ pneumoconiosis // Aihaj. 2000, vol. 61, no. 6, pp. 785—787.

19. Kossovich E. L., Borodich F. M., Epshtein S. A., Galanov B. A., Minin M. G., Prosina V. A. Mechanical, structural and scaling properties of coals: depth-sensing indentation studies // Applied Physics A. 2019, vol. 125, no. 3, pp. 195. DOI: 10.1007/s00339-018-2282-1.

20. Ren Q., Zhang Y., Arauzo I., Shan L., Xu J., Wang Y., Su S., Hu S., Xiang J. Roles of moisture and cyclic loading in microstructures and their effects on mechanical properties for typical Chinese bituminous coals // Fuel. 2021, vol. 293, pp. 120408. DOI: 10.1016/j.fuel.2021.120408.

21. Zhou W., Wang H., Wang D., Du Y., Zhang K., Kang W. The effect of coal proximate compositions on the characteristics of dust generation using a conical pick cutting system // Powder Technology. 2019, vol. 355, pp. 573—581. DOI: 10.1016/j.powtec.2019.07.093.

22. Argatov I. I., Borodich F. M., Epshtein S. A., Kossovich E. L. Contact stiffness depthsensing indentation: Understanding of material properties of thin films attached to substrates // Mechanics of Materials. 2017, vol. 114, pp. 172—179. DOI: 10.1016/j.mechmat.2017.08.009.

23. Агарков К. В., Эпштейн С. А., Коссович Е. Л., Добрякова Н. Н. Исследование низкотемпературных воздействий на механические свойства углей на микроуровне и склонность к образованию аэрозольной пыли // Горный журнал. — 2022. — № 4. — С. 66—72. DOI: 10.17580/gzh.2022.04.11.

24. Kossovich E. L., Epshtein S. A., Krasilova V. A., Hao J., Minin M. G. Effects of coals microscale structural features on their mechanical properties, propensity to crushing and fine dust formation // International Journal of Coal Science and Technology. 2022, in Press.

25. Коссович Е. Л., Добрякова Н. Н., Эпштейн С. А., Белов Д. С. Определение механических свойств микрокомпонентов углей методом непрерывного индентирования // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2016. — № 5. — С. 84—91.

26. Bulychev S. I., Alekhin V. P., Shorshorov M. K., Ternovskij A. P., Shnyrev G. D. Determination of Young modulus by the hardness indentation diagram // Zavodskaya Laboratoriya. 1975, vol. 41, no. 9, pp. 1137—1140.

27. Коссович Е. Л., Эпштейн С. А., Добрякова Н. Н., Минин М. Г. Структурные особенности и механические свойства антрацита, метаантрацита и графита // Горный журнал. — 2020. — № 4. — С. 25—29. DOI: 10.17580/gzh.2020.04.05.

28. Коссович Е. Л., Эпштейн С. А., Голубева М. Д., Красилова В. А. Разработка методики циклического наноиндентирования для оценки склонности углей к образованию пыли // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 5. — С. 112—121. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_5_0_112.

29. Коссович Е. Л., Эпштейн С. А., Бородич Ф. М., Добрякова Н. Н., Просина В. А. Взаимосвязи между неоднородностью распределения механических свойств углей на микрои наноуровнях и их способностью к внезапным выбросам и разрушению // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 5. — С. 156—172. DOI: 10.25018/02361493-2019-05-0-156-172.

30. Sadezky A., Muckenhuber H., Grothe H., Niessner R., Pöschl U. Raman microspectroscopy of soot and related carbonaceous materials: Spectral analysis and structural information // Carbon. 2005, vol. 43, no. 8, pp. 1731—1742. DOI: 10.1016/j.carbon.2005.02.018.

31. Ulyanova E. V., Molchanov A. N., Prokhorov I. Y., Grinyov V. G. Fine structure of Raman spectra in coals of different rank // International Journal of Coal Geology. 2014, vol. 121, pp. 37—43. DOI: 10.1016/j.coal.2013.10.014.

32. Xu J., Tang H., Su S., Liu J., Xu K., Qian K., Wang Y., Zhou Y., Hu S., Zhang A., Xiang J. A study of the relationships between coal structures and combustion characteristics: The insights from micro-Raman spectroscopy based on 32 kinds of Chinese coals // Applied Energy. 2018, vol. 212, pp. 46—56. DOI: 10.1016/j.apenergy.2017.11.094.

33. Hirsch P. B. X-Ray scattering from coals // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1954, vol. 226, no. 1165, pp. 143—169. DOI: 10.1098/rspa.1954.0245.