Влияние условий замораживания-размораживания углей на их гранулометрический состав и механическую прочность

Регионы Крайнего Севера и Арктики являются стратегическими для экономического развития Российской Федерации. Последнее включает в том числе добычу углей (помимо прочего, ценных марок) из месторождений, территориально расположенных в указанных регионах. Считается, что экстремальные климатические условия Крайнего Севера и Арктики с сезонным и суточным переходом температуры через ноль являются причиной снижения качества угольной продукции (образование мелочи, окисление и др.) при ее доставке до конечного потребителя. Настоящая работа посвящена исследованию влияния низкотемпературных циклических воздействий на склонность углей к разрушению и изменения их прочности в зависимости от температуры замораживания. В качестве объектов исследований были выбраны угли разных видов (каменные и бурые) из месторождений, приуроченных к регионам Крайнего Севера и Арктики. Исследовали изменение гранулометрического состава на пробах крупностью 0—3 мм и механической прочности на кусках 25—50 мм после замораживания углей при температурах –20, –40, –60 °С и последующего размораживания. Установлено, что изменение гранулометрического состава углей крупностью 0—3 мм после низкотемпературных воздействий не зависит от температуры замораживания. Обнаружено, что некоторые угли устойчивы к низкотемпературным воздействиям и не разрушаются после замораживания-оттаивания. Другие угли, напротив, подвержены разрушению, так как после замораживания до —20 °C и ниже выявлено значительное (на 20 % и более) уменьшение доли крупных частиц. Механическая прочность углей (крупностью 25—50 мм) после низкотемпературных воздействий изменяется по-разному. Угли Печорского бассейна отличаются по характеру изменения прочности в зависимости от температуры замораживания. Для одного угля наблюдается постепенное снижение прочности при понижении температуры замораживания. Другой, напротив, упрочняется при понижении температуры. Это, по всей видимости, связано с известными различиями в структуре витринита этих углей. Для углей Апсатского месторождения, отличающихся высоким содержанием витринита, установлено значительное снижение прочности только после цикла замораживания-оттаивания при температуре –40 °С. Последнее предположительно связано с образованием и разложением гидратов углекислого газа. Прочность угля того же месторождения, но с большим содержанием мацералов группы инертинита, практически не изменялась после замораживания при всех температурах. Закономерности снижения прочности бурых углей Кангаласского месторождения в зависимости от температуры замораживания обусловлены различиями в содержании в них влаги, а также интенсивностью ее потери при замораживании при разных температурах.

Ключевые слова: уголь, низкотемпературные воздействия, гранулометрический состав, механическая прочность.
Как процитировать:

Агарков К. В., Эпштейн С. А., Коссович Е. Л., Добрякова Н. Н. Влияние условий замораживания-размораживания углей на их гранулометрический состав и механическую прочность // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2021. – № 6. – С. 72–83. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_6_0_72.

 

Благодарности:

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 18-0570002.

Номер: 6
Год: 2021
Номера страниц: 72-83
ISBN: 0236-1493
UDK: 552.57+54.03
DOI: 10.25018/0236_1493_2021_6_0_72
Дата поступления: 08.02.2021
Дата получения рецензии: 12.04.2021
Дата вынесения редколлегией решения о публикации: 10.05.2021
Информация об авторах:

Агарков Кирилл Владимирович1 — аспирант, инженер,
Эпштейн Светлана Абрамовна1 — д-р техн. наук, зав. лабораторией, e-mail: apshtein@yandex.ru,
Коссович Елена Леонидовна1 —канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник,
Добрякова Надежна Николаевна1 — канд. техн. наук, научный сотрудник,
1 НУИЛ «Физико-химии углей», НИТУ «МИСиС».

 

Контактное лицо:

Эпштейн С.А., e-mail: apshtein@yandex.ru.

Список литературы:

1. Угольная база России. Т. 1—6 / Под ред. А. А. Тимофеева и др. — М.: Геоинформцентр, 2001.

2. Qin L., Zhai C., Liu S., Xu J. Factors controlling the mechanical properties degradation and permeability of coal subjected to liquid nitrogen freeze-thaw // Scientific Reports, 2017, vol. 7, no. 1, pp. 3675. DOI: 10.1038/s41598-017-04019-7.

3. Новиков Е. А., Шкуратник В. Л., Зайцев М. Г., Ошкин Р. О. Исследование изменения свойств и состояния углей в результате криогенного выветривания методом термостимулированной акустической эмиссии // Криосфера Земли. — 2018. — Т. XXII. — № 4. — С. 76–85. DOI: 10.21782/KZ1560-7496-2018-4(76-85).

4. Cai C., Gao F., Li G., Huang Z., Hou P. Evaluation of coal damage and cracking characteristics due to liquid nitrogen cooling on the basis of the energy evolution laws // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2016, vol. 29, pp. 30–36. DOI: 10.1016/j.jngse.2015.12.041.

5. Qin L., Zhai C., Liu S., Xu J., Yu G., Sun Y. Changes in the petrophysical properties of coal subjected to liquid nitrogen freeze-thaw. A nuclear magnetic resonance investigation // Fuel. 2017, vol. 194, pp. 102–114. DOI: 10.1016/j.fuel.2017.01.005.

6. Шкуратник В. Л., Новиков Е. А., Ошкин Р. О., Зайцев М. Г. Оценка влияния циклического криотермического воздействия на структуру и свойства углей методом термостимулированной акустической эмиссии // Горный журнал. — 2017. — № 10. — С. 16–21. DOI: 10.17580/gzh.2017.10.04.

7. Zhai C., Wu S., Liu S., Qin L., Xu J. Experimental study on coal pore structure deterioration under freeze–thaw cycles // Environmental Earth Sciences. 2017, vol. 76, no. 15, pp. 507. DOI: 10.1007/s12665-017-6829-9.

8. Liu S. Q., Sang S. X., Liu H. H., Zhu Q. P. Growth characteristics and genetic types of pores and fractures in a high-rank coal reservoir of the southern Qinshui basin // Ore Geology Reviews, 2015, vol. 64, no. 1, pp. 140–151. DOI: 10.1016/j.oregeorev.2014.06.018.

9. Верба М. Коллекторные свойства пород осадочного чехла архипелага Шпицберген // Нефтегазовая геология. Теория и практика. — 2013. — Т. 8. — № 1. — С. 1–45. DOI: 10.17353/2070-5379/5_2013.

10. Aldenius M., Wee H. M., Yang W. H., Chou C. W., Padilan M. V., Larfeldt J., Anderson M., Larsson A., Moell D., Li M., Zhang X., Li G., Bründlinger T., König J. E., Frank O., Gründig O., Jugel C., Kraft P., Krieger O. BP Energy Outlook // 2018, vol. 134, no. 8, pp. 43. DOI: 10.1016/j.energy.2015.11.023.

11. Смирнов В. Г., Манаков А. Ю., Дырдин В. В., Исмагилов З. Р. Формирование гидратов метана в природном угле // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. — 2017. — № 1. — C. 13–25.

12. Nikolenko P. V., Epshtein S. A., Shkuratnik V. L., Anufrenkova P. S. Experimental study of coal fracture dynamics under the influence of cyclic freezing–thawing using shear elastic waves // International Journal of Coal Science and Technology. 2020. DOI: 10.1007/s40789020-00352-x.

13. Эпштейн С. А., Коссович Е. Л., Просина В. А., Добрякова Н. Н. Особенности сорбционного разупрочнения углей из потенциально выбросоопасных и неопасных пачек // Горный журнал. — 2018. — № 12. — C. 18–22. DOI: 10.17580/gzh.2018.12.04.

14. Zhang J., Deng H., Deng J., Guo H. Influence of freeze-thaw cycles on the degradation of sandstone after loading and unloading // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2020, vol. 79, no. 4, pp. 1967–1977. DOI: 10.1007/s10064-019-01634-8.

15. Pilehvar S., Szczotok A. M., Rodríguez J. F., Valentini L., Lanzón M., Pamies R., Kjoniksen A. L. Effect of freeze-thaw cycles on the mechanical behavior of geopolymer concrete and Portland cement concrete containing micro-encapsulated phase change materials // Construction and Building Materials. 2019, vol. 200, pp. 94–103. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.12.057.

16. Jabro J. D., Iversen W. M., Evans R. G., Allen B. L., Stevens W. B. Repeated freeze-thaw cycle effects on soil compaction in a clay loam in Northeastern Montana // Soil Science Society of America Journal. 2014, vol. 78, no. 3, pp. 737–744. DOI: 10.2136/sssaj2013.07.0280.

17. Han S., Gao Q., Cheng Y., Yan C., Han Z., Shi X. Experimental study on brittle response of shale to cryogenic fluid nitrogen treatment // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2020, vol. 194, pp. 107463. DOI: 10.1016/j.petrol.2020.107463.

18. Szarko M., Muldrew K., Bertram J. E. Freeze-thaw treatment effects on the dynamic mechanical properties of articular cartilage // BMC Musculoskeletal Disorders. 2010, vol. 11, no. 1, pp. 231. DOI: 10.1186/1471-2474-11-231.

19. Takeya S., Nakano K., Thammawong M., Umeda H., Yoneyama A., Takeda T., Hyodo K., Matsuo S. CO2 processing and hydration of fruit and vegetable tissues by clathrate hydrate formation // Food Chemistry. 2016, vol. 205, pp. 122–128. DOI: 10.1016/j.foodchem.2016.03.010.

20. Газовые гидраты — Wikiwand [Электронный ресурс]. URL: https://www.wikiwand. com/ru/Газовые_гидраты (дата обращения: 20.03.2021).

Наши партнеры

Подписка на рассылку

Раз в месяц Вы будете получать информацию о новом номере журнала, новых книгах издательства, а также о конференциях, форумах и других профессиональных мероприятиях.