Микро-наноструктурный анализ особенностей в строении угольного вещества в зависимости от стадий его метаморфизма

Отражены результаты начального этапа исследований, посвященных эффекту «модуляции» низкочастотными деформационно-волновыми процессами физикохимических массо-газообменных процессов. В данной части статьи дан микро-наноструктурный анализ особенностей в строении угольного вещества в зависимости от стадий его метаморфизма методами рентгенофазового анализа и масс-спектрометрии в режиме in situ. Количественно определены следующие структурные характеристики образцов углей: расстояние между углеродными сетками, толщина и диаметр углеродного слоя, количество слоев в зависимости от температуры нагревания угольных образцов и стадий метаморфизма. Приведена схема изменения структуры вещества углей до и после прокаливания, а также состав газов, выделяющихся при нагревании угольных образцов до 800 °С. Перечислены факторы влияния крупного кластера магматических месторождений Алтае-Саянской складчатой области (Горной Шории и Хакасии) на процессы метаморфизма углеметанового вещества при образовании углей различного марочного состава сопряженного с ней Кузнецкого угольного бассейна. Приведены доказательства бо́льшей роли температурного фактора влияния при образовании графитов, чем горного давления в процессе метаморфизма угленосного вещества. Исследования пористой структуры угольных образцов позволили определить объем и диаметр угольных пор различных стадий метаморфизма. Исследованиями методом РФА показано, что молекулы метана не могут занимать в значительной мере межслоевое пространство между углеродными слоями кристаллической составляющей углей и преимущественно располагаются в неупорядоченной области углей, в приповерхностных слоях кристаллитов и на их поверхностях.

Киряева Т. А., Опарин В. Н., Яценко Д. А. Микро-наноструктурный анализ особенностей в строении угольного вещества в зависимости от стадий его метаморфизма // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2021. – № 5. – С. 5–23. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_5_0_5.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-05-00051).

Киряева Татьяна Анатольевна¹ — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, e-mail: coalmetan@mail.ru,
Опарин Виктор Николаевич¹ — д-р физ.-мат. наук, профессор, чл-корр. РАН, заведующий отделом,
Яценко Дмитрий Анатольевич — научный сотрудник, Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН; старший преподаватель, Новосибирский государственный университет,
¹ Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН.

Киряева Т.А., e-mail: coalmetan@mail.ru.

1. Adushkin V. V., Oparin V. N. From the alternating-sign explosion response of rocks to the pendulum waves in stressed media // Journal of Mining Science. P. I: 2012, vol. 48, no. 2, pp. 203—222; P. II: 2013, vol. 49, no. 2, pp. 175−209; P. III: 2014, vol. 50, no. 4, pp. 623−645; P. IV: 2016, vol. 52, no. 1, pp. 1−35.

2. Садовский М. А., Кочарян Г. Г., Родионов В. Н. О механике блочного горного массива // Доклады Академии наук. — 1988. — Т. 302. — № 2. — С. 306—307.

3. Курленя М. В., Опарин В. Н., Востриков В. И. О формировании упругих волновых пакетов при импульсном возбуждении блочных сред. Волны маятникового типа // Доклады Академии наук. — 1993. — Т. 333. — № 4. — С. 515—521.

4. Геомеханические поля и процессы: экспериментально-аналитические исследования формирования и развития очаговых зон катастрофических событий в горнотехнических и природных системах / Под ред. Н. Н. Мельникова. Т. 2. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2019. — 546 с.

5. Wu D., Zhang H., Hu G., Zhang W. Fine characterization of the macromolecular structure of huainan coal using XRD, FTIR, 13C-CP/MAS NMR, SEM and AFM Techniques // Molecules. 2020, vol. 25, no. 11, pp. 2661.

6. Mengjie Liu, Jin Bai, Lingxue Kong, Zongqing Bai, Chong He, Wen Li The correlation between coal char structure and reactivity at rapid heating condition in TGA and heating stage microscope // Fuel. 2020, vol. 260, pp. 116.

7. Jingchong Yan, Zhiping Lei, Zhanku Li, Zhicai Wang, Shibiao Ren, Shigang Kang, Xiaoling Wang, Hengfu Shui Molecular structure characterization of low-medium rank coals via XRD, solid state 13C NMR and FTIR spectroscopy // Fuel. 2020, vol. 268, article 117038.

8. Yankun Xiong, Lijun Jin, He Yang, Yang Li, Haoquan Hu Insight into the aromatic ring structures of a low-rank coal by step-wise oxidation degradation // Fuel Processing Technology. 2020, vol. 210, article 106563.

9. Kaizhong Zhang, Yuanping Cheng, Wei Li, Congmeng Hao, Biao Hu, Jingyu Jiang Microcrystalline Characterization and Morphological Structure of Tectonic Anthracite Using XRD, Liquid Nitrogen Adsorption, Mercury Porosimetry and Micro-CT // Energy & Fuels. 2019, vol. 33, no. 11, pp. 10844—10851.

10. Junqing Meng, Shichao Li, Jiaxing Niu Crystallite structure characteristics and its influence on methane adsorption for different rank coals // ACS Omega. 2019, vol. 4, no. 24, pp. 20762—20772.

11. Yu Liu, Yanming Zhu, Shangbin Chen Effects of chemical composition, disorder degree and crystallite structure of coal macromolecule on nanopores (0.4—150 nm) in different rank naturally-matured coals // Fuel. 2019, vol. 242, pp. 553—561.

12. Jingyu Jiang, Weihua Yang, Yuanping Cheng, Zhengdong Liu, Qiang Zhang, Ke Zhao Molecular structure characterization of middle-high rank coal via XRD, Raman and FTIR spectroscopy: Implications for coalification // Fuel. 2019, vol. 239, pp. 559—572.

13. Rong-Kun Pan, Cong Li, Ming-Gao Yu, Ze-Jun Xiao, Dong Fu Evolution patterns of coal micro-structure in environments with different temperatures and oxygen conditions // Fuel. 2020, vol. 261, article 116425.

14. Wu Dun, Wenyong Zhang Evolution mechanism of macromolecular structure in coal during heat treatment: based on FTIR and XRD In Situ Analysis Techniques // Journal of Spectroscopy. 2019, April, pp. 1—18.

15. Rady A. C., Munnings C., Giddey S., Badwal S. P. S., Bhattacharya S., Kulkarni A. In situ high-temperature powder diffraction studies of solid oxide electrolyte direct carbon fuel cell materials in the presence of brown coal // Journal of Materials Science. 2016, vol. 51, pp. 3928— 3940.

16. Киряева Т. А. Исследование параметров структуры углей Кузбасса методом рентгеновской дифракции // Интерэкспо Гео-Сибирь. — 2018. — Т. 5. —С. 49—52.

17. Wojdyr M. Fityk: A general-purpose peak fitting program // Journal of Applied Crystallography. 2010, vol. 43, pp. 1126—1128.

18. Wang S., Sun Y., Shu K., Jiang D., Ma W. Structural characterization of coal components of late permian coals from Southern China by X-ray diffraction and raman spectroscopy // J Biochem Analyt Stud. 2016, vol. 2, no. 1.

19. Shuxing Qiu, Shengfu Zhang, Xiaohu Zhou, Rongjin Zhu, Guibao Qiu, Yue Wu, Guangsheng Suo Structural characterization of four chinese bituminous coals by X-Ray diffraction, fourier-transform infrared spectroscopy and X-Ray photoelectron spectroscopy / Li B. et al. (eds). Characterization of Minerals, Metals, and Materials. Springer, Cham. 2019.

20. Малышев Ю. Н., Трубецкой К. Н., Айруни А. Т. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы угольных пластов.— М.: ИАГН, 2000. — 519 с.

21. Ходот В. В. Внезапные выбросы угля и газа. — М.: Госгортехиздат, 1961. — 363 с.

22. Oparin V. N., Kiryaeva T. A., Gavrilov V. Yu., Tanashev Yu. Yu., Bolotov V. A. Initiation of underground fire sources // Journal of Mining Science, 2016, vol. 52, no. 3, pp. 576—592.

23. Калякин С. А. Идеология взрывобезопасности угольных шахт, опасных по газу и угольной пыли // Безопасность труда в промышленности. — 2010. — № 11. — С. 38—41.

24. Тайлаков О. В., Соколов С. В. К вопросу повышения достоверности прогноза динамических явлений и контроля напряженного состояния в угольных шахтах с использованием сейсмоакустических методов // Горная промышленность. — 2017. — № 6(136). — С. 72—74.

25. Опарин В. Н., Киряева Т. А., Гаврилов В. Ю., Шутилов Р. А., Ковчавцев А. П., Танайно А. С., Ефимов В. П., Астраханцев И. Е., Гренев И. В. О некоторых особенностях взаимодействия между геомеханическими и физико-химическими процессами в угольных пластах Кузбасса // ФТПРПИ. — 2014. — № 2. — С. 3—25.

26. Weishauptová Z., Pribyl O., Sykorová I., Machovic V. Effect of bituminous coal properties on carbon dioxide and methane high pressure sorption // Fuel. 2015, vol. 139, pp. 115— 124.

27. Новикова В. Н. Надмолекулярно-поровая структура и сорбционная способность углей в комплексе геологических факторов прогноза и оценки метаноносности угольных пластов юго-западного Донбасса. Автореф. дис. на соискание уч. степ. канд. геол.мин.н. — СПб., 2009.

28. Опарин В. Н., Адушкин В. В., Киряева Т. А., Потапов В. П. Региональная кластеризация угольных месторождений Кузбасса по газодинамической активности. Часть II: Влияние геотермических, геодинамических и физико-химических процессов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 10. — С. 5—29.

29. Киряева Т. А., Опарин В. Н. Свидетельство № 2018620035 на БД. РФ. Каталог метаноносности углей Кузбасса; Зарегистр. 09.01.2018 г.