Содержание к диссертации
Введение
1. Геологическое строение кольчугинскои серии кузнецкого бассейна 7
1.1. Общие сведения о Кузбассе 7
1.2. Стратиграфия и угленосность II
1.3. Тектоника 15
1.4. История формирования 16
1.5. Растения - торфообразователи 17
2. Закономерности изменения основных параметров качества углей серии кузбасса 19
2.1. Петрографический состав 20
2.2. Степень восстановленности углей 33
2.2.1. Понятие нa степени восстановленности и методы её оценки в приложении к углям Кузбасса 33
2.2.2. Закономерности изменения степени восстановленности углей в разрезе и по площади отложений 41
2.2.3. Взаимосвязь степени восстановленности углей с параметрами угленосности отложений 50
2.2.4. Взаимосвязь степени восстановленности углей с их геохимическими признаками 55
2.2.5. Микротвердость витринита как показатель степени восстановленности углей 69
2.2.5.1. Состояние вопроса 69
2.2.5.2. Методика проведения исследований 70
2.2.5.3. Анализ влияния степени восстановленности и метаморфизма на микротвердость витринита 88
2.2.5.4. Оценка точности определения показателя степени восстановленности по новой методике 101
2.2.5.5. Использование новой методики оценки степени восстановленности углей 105
2.3. Метаморфизм углей 109
3. Краткая технологическая характеристика углей кольчугинскои серии 129
4. Основные требования к качеству углей по направлениям их нетопнивного использования с учетом классификации 143
4.1. Направления нетопливного использования углей кольчугинской серии
4.2. Распределение углей кольчугинской серии Кузбасса в системе единой классификации 145
4.3. Требования к качеству углей по направленияи их нетопливного использования 149
5. Рекомендации по нетопливному использованию углей серий кузбасса 158
Заключение 170
Список литературы 173
Приложения 204
- Понятие нa степени восстановленности и методы её оценки в приложении к углям Кузбасса
- Взаимосвязь степени восстановленности углей с параметрами угленосности отложений
- Анализ влияния степени восстановленности и метаморфизма на микротвердость витринита
- Распределение углей кольчугинской серии Кузбасса в системе единой классификации
Введение к работе
В настоящее время более 60% добываемых в СССР углей используется в энергетике и около 25% идет на коксование [I, 2]. В перспективе намечается заметное расширение области нетопливного использования углей как химико-технологического сырья с целью получения кокса, синтетических жидких и газообразных продуктов, частично заменяющих природные нефть и газ, и ряда других материалов [2, 3]. Актуальность этих задач и их важность для народного хозяйства отмечена в решениях ХХУІ съезда КПСС.
Кузнецкий бассейн располагает самыми крупными в СССР ресурсами коксующихся углей. В целом по бассейну разведанные до глубины 600 м запасы этих углей составляют 33 млрд.т [4] • Из них основная часть (около 70%) сосредоточена в отложениях кольчугинской серии. Согласно Постановлению ЦК КПСС и Совета Министров СССР & 190 от 29.02.1980 г. "О мерах по дальнейшему развитию Кузнецкого угольного бассейна в I98I-I990 гг." бассейн сохранит в будущем свою ведущую роль в поставках для промышленности коксующихся углей.
Угли Кузбасса рассматриваются также в качестве одного из первоочередных объектов для получения синтетических продуктов - моторного и котельного топлива, различных химических соединений [2, 3]. Причем наиболее подходящими для этой цели как с точки зрения качества углей, так и, исходя из экономических соображений, являются малометаморфизованные угли кольчугинской серии.
Угли данной серии перспективны и для других направлений нетопливного использования - полукоксования, получения адсорбентов, угольного порошка для литейного производства и т.д. Существенную роль будут играть газовые угли этой серии с внедрением в широких масштабах производства формованного кокса [5J. Направление использования углей в значительной мере определяется качественными их особенностями. Многообразие свойств существующих в природе неокисленных углей обусловлено трег- главными факторами - метаморфизмом, петрографическим составом и восетановлен-ностью [6]. Эти факторы, выраженные через соответствующие показатели, положены в основу разработанной под руководством института горючих ископаемых классификации углей по генетическим и технологическим параметрам (ГОСТ 25543-82). В течение 1984-1989 гг. будет осуществлен постепенный переход от действующих бассейновых классификаций к единой для страны новой классификации. В отличие от существующих стандартов последняя позволит более объективно оценить структуру запасов углей, определить направления их использования, взаимозаменяемость при химико-технологической переработке
В связи с изложенным особую актуальность приобретают вопросы изучения закономерностей изменения петрографических особенностей, химико-технологических свойств углей в отложениях кольчугинской серии. Решение данных вопросов будет способствовать рациональному нетопливному использованию углей. Поэтому основными задачами настоящей работы являлись исследование закономерностей изменения геолого-генетических факторов (петрографического состава, восстановленности, метаморфизма углей) и разработка на базе этого с учетом нового ГОСТ 25543-82 рекомендаций по нетопливному использованию углей кольчугинской серии Кузбасса. Кроме того, одной из важных задач исследований была разработка новой методики количественной оценки степени восстановленности по результатам определений микротвердости и показателя отражения витринита. Для решения названных задач использованы данные ряда основополагающих трудов [8-П], фондовые материалы производственного геологического объединения (ЕГО) "Запсибгеология" [165-279] и института Кузнииуглеобогащение [280-285]. Привлечены также литературные источники о методах исследования и химико-технологической переработки углей, о требованиях, предъявляемых к ним как сырью для того или иного направления нетопливного использования. С целью разработки методики оценки степени восстановленности углей проведены химико-петрографические исследования 197 проб углей балахонской и кольчугинской серий Кузбасса.
Анализ перечисленных выше материалов позволил вынести на защиту следующие основные положения:
1) закономерности изменения геолого-генетических факторов (петрографического состава, степени восстановленности и метаморфизма углей) в условиях кольчугинской серии Кузбасса;
2) методика количественной оценки степени восстановленности углей Кузбасса на основе микротвердости и показателя отражения витринита;
3) рекомендации по нетопливному использованию углей кольчугинской серии для коксования, полукоксования, производства формованного кокса, синтетического жидкого топлива, адсорбентов и угольного порошка.
Понятие нa степени восстановленности и методы её оценки в приложении к углям Кузбасса
Качественное разнообразив неокисленных углей обусловлено неодинаковым влиянием геолого-генетических факторов - исходным растительным материалом, условиями его накопления, химическим характером среды и метаморфизмом. Эти факторы проявляются в основных параметрах качества углей - петрографическом составе, степени вос-становленности и стадии метаморфизма. С данными параметрами корреляционно связаны все важнейшие химико-технологические и физические свойства углей, к числу которых относятся выход летучих веществ, толщина пластического слоя, элементный состав, теплота сгорания и другие [6, 19, 20j .
Петрографический состав, степень восстановленное и стадия метаморфизма углей положены в основу новой, единой для всех бассейнов страны классификации углей по генетическим и технологическим параметрам (ГОСТ 25543-82). Переход от действующих бассейновых классификаций к единой намечается в течение I984-1989 гг. Данный стандарт позволит в отличие от бассейновых классификаций более объективно оценить запасы углей, решить вопросы рационального их использования и взаимозаменяемости при переработке [7]. В связи с изложенным в данной работе основное внимание уделено закономерностям изменения указанных трех главных параметров качества углей в условиях кольчугинской серии. Что касается других показателей свойств углей данной серии, то приведена лишь общая их характеристика и некоторые графические и аналитические зависимости для их оценки на базе этих параметров.
Для решения названных задач использованы результаты ряда основных литературных источников [8-П, 21] , фондовые материалы ПГО "Запсибгеология" [165-279], института Кузнииуглеобогащение [280-285] , а также проведен комплекс химико-петрографических исследований по 197 пробам углей балахонской и кольчугинской серий Кузбасса.
Петрографический состав углей является результатом совокупного влияния таких факторов, как исходный растительный материал, первичные условия его преобразования, состав и характер распределения минеральных примесей [6, 9, II, 22].
Отдельные компоненты углей существенно различаются по своим химическим и физическим свойствам. Это определяет неодинаковое их влияние на технологические показатели углей, на состав и качество продуктов их переработки. Поэтому вещественный состав углей является одним из важнейших параметров, учитываемых при выборе того ш иного направления использования углей [2. б].
Изучение петрографии углей кольчугинской серии имеет 50 лет-нюю историю. Большой вклад в исследование генезиса углей, их петрографических особенностей и влияния последних на химико-технологические свойства углей внесли Й.И.Аммосов, Л.И.Боголюбова, З.В.Бргольская, И.В.Ерёмин, А.А.Ларищев, А.Б.Травин, Л.А.Шитова, В.С.Яблоков и многие другие ученые [9]. Основные результаты этих исследований, детально рассмотренные в обобщающих работах [8-Il], сводятся к следующему.
Гумусовые угли кольчугинской серии сложены главным образом двумя литотипами - блестящими и полублестящими. Суммарная их доля в расчете на беспородную массу угольного пласта составляет 79-98$ при незначительном содержании полуматовых (2-21$) и матовых (0-ІЯ литотипов (табл. 2.1).
Содержание блестящих литотипов, как видно из данной таблицы, резко возрастает вниз по разрезу кольчугинской серии при одновременном уменьшении содержания полублестящих и полуматовых типов. Для блестящих литотипов характерно в среднем более высокое содержание компонентов группы витринита (86$), чем для полублестящих (72$) и полуматовых (46$). Во всех литотипах среда минеральных примесей преобладают глинистое вещество, карбонаты и кварц. В ряду литотипов от полуматовых до блестящих возрастает относительная доля, пирита и уменьшается содержание других минералов : (табл. 2.2).
Угольные пласты кольчугинекой серии в большинстве своем комплексные, т.е. состоящие из нескольких чередующихся литотипов. В зависимости от характера их распределения и чередования выделено восемь типов комплексных пластов [23]. При этом установлено, что значительная часть последних (85$ от общего количества рассмотренных) имеют в основании или близ кровли пластов слои блестящих литотипов. Вверх по разрезу серии доля таких пластов уменьшается до минимума в области между грамотеинской и тайлуганской свитами. Здесь развиты мощные пласты, сложенные в основном полублестящими и полуматовыми литотлпами. В верхних горизонтах серии вновь возрастает доля блестящих разновидностей. Приуроченность полублестящих и полуматовых углей к пластам большой мощности отмечается и по площади развития кольчугинекой серии [9].
Главными петрографическими составляющими литотипов кольчу-гинских углей являются витринит и фюзинит [8-ІІ]. Содержание данных групп микрокомпонентов в среднем составляет соответственно 72-86$ и 9-19$ при подчиненном значении групп семивитринита (3-7$) и липтинита (2-3$). Как видно из таблицы 2.3, вниз по разрезу серии петрографический состав углей изменяется в основном в сторону увеличения содержания витринита при одновременном уменьшении количества фюзинита.
Взаимосвязь степени восстановленности углей с параметрами угленосности отложений
В ряде работ [9, 37-40] показано, что различия в физико-химических свойствах разновосстановленных углей в определенной мере могут быть обусловлены исходным растительным материалом. Так, по данным исследования трех изометаморфных пар углей Донбасса установлено [37], что более восстановленные угли сложены в основном витренизированной древесиной кордаитов, а маловосстановлен-ные - корой лепидодендронов. Степень восстановленности в данном случае является, как полагают авторы работы [37], отражением исключительно различий в химическом составе этих фитералов, а не генетических преобразований исходного материала. По мнению этих исследователей, генетическая (истинная) восстановленность углей может определяться лишь по геологическим или геохимическим признакам.
В работе [9] повышенные значения выхода летучих веществ и спекаемости кольчугинских углей при одинаковом количестве витре-низированного вещества и прочих равных условиях предположительно объясняют богатым содержанием в нем гелифицированных тканей паренхимы - листового материала. В данной работе отмечается также, что при оценке свойств углей необходимо учитывать, помимо исходного растительного материала, различия в составе микрокомпонентов группы витринита. Проведенные в этом плане исследования показывают, что неоднородность витринита может в заметной степени влиять на химико-технологические свойства углей. Так, в изомета-морфных кольчугинских углях Кузбасса лучшую спекаемость имеет витринит при большем содержании в его составе коллинита, а в балахонских углях - при повышенном содержании телинита [41 ].
Если допустить, что различие в свойствах изометаморфных углей обусловлено только исходным растительным материалом и неоднородностью витринита, то понятие "восстановленность" не будет отвечать сущности рассматриваемого явления и возникает вопрос о целесообразности применения такого термина [19]. Однако, помимо названных факторов, несомненна, как уже отмечалось, существенная роль в формировании различия в свойствах утлей геохимии среды, её щелочности и анаэробности в период торфонакопления, а также кислорода в превращениях органического материала. Одним из доказательств значимости геохимических факторов можно рассматривать тесную положительную корреляционную связь между восстановленностью углей и содержанием в них общей, серы (см. подраздел 2.2.4).
Придерживаясь взглядов И.И.Аммосова, Л.И.Сарбеевой и других, мы также считаем, что именно с геохимическими факторами, которые определяли окислительный или восстановительный характер среды торфонакопления, необходимо связывать понятие об истинной или собственно восстановленности углей.
Сущность восстановленности, несмотря на многочисленные исследования, остается пока еще неяоной. Справедливо отмечается [19], что в настоящее время понятие о степени восстановленности охватывает комплекс всех пока еще не решенных вопросов в области познания причин неодинакового состава и свойств изометаморфных углей.
Таким образом, выраженное через понятие "восстановленность" различие по физико-химическим и другим свойствам близких по петрографическому составу изометаморфных углей является результатом суммарного воздействия первичных факторов - исходного растительного материала, условий его накопления и преобразования, геохимии среды. Роль этих факторов, степень их влияния изучены недостаточно. Поэтому на существующем уровне исследований практически невозможна количественная оценка составляющих (собственно восста-новленности и других) названного различия, отождествленного с восстановленностью.
В связи с изложенным в настоящей работе при оценке степени восстановленности упомянутые выше факторы (геохимические, исходный растительный материал и другие) учитывались совместно, поскольку их воздействие суммарно проявляется в химико-технологических, физических и других параметрах качества углей.
Задача наших исследований состояла не только в оценке данного различия, приравненного к восстановленности, но также в установлении закономерностей его изменения в условиях кольчугинской серии. Что же касается природы этого различия, т.е. выяснения роли в его формировании названных первичных факторов, то в этом отношении получены лишь выводы качественного уровня. Количественная же оценка роли этих факторов является предметом специальных исследований и здесь нами не рассматривается.
К настоящему времени пока еще не разработаны прямые количественные методы оценки степени восстановленности. Тип угля по восстановленности определяется по различным косвенным признакам -петрографическим, физическим, химическим и геологическим [II, 27, 31, 32, 42-50].
Более восстановленные угли в сравнении с менее восстановленными характеризуются более высоким содержанием водорода, углерода, общей серы, повышенными значениями выхода летучих веществ, толщины пластического слоя, теплоты сгорания, выхода смолы коксования и полукоксования. Более восстановленные витринитн имеют пониженные значения показателя отражения, микротвердости.
Влияние восстановленности на химические, физические и другие свойства углей зависит от стадии метаморфизма. В области бурых углей наиболее чувствительным показателям степени восста-новленности является содержание водорода [5і] .По нашим данным [52] , в этой же области-показателем восстановленности может быть выход первичной смолы, тесно связанный с содержанием водорода. В области тощих углей и антрацитов наиболее сильное влияние восстановленность оказывает на такие свойства углей, как механическая прочность, анизотропия показателя отражения и микротвердости [42, 48, 53] . Что касается каменных углей, то для них общепризнанным и самым чувствительным показателем степени восстановленности является толщина пластического слоя.
Анализ влияния степени восстановленности и метаморфизма на микротвердость витринита
Восстановленность углей,отражается в основном в свойствах гежфицированных компонентов. Используемые же для её оценки химико-технологические показатели (см. раздел 2.2.1) зависят от свойств не только этих компонентов, но и других - фюзенизирован-ных и минеральных, а также от их соотношений. Это затрудняет определение степени восстановленности углей через данные показатели, так как вызывает необходимость введения в них поправок на влияние петрографического состава органической части и минеральных примесей углей. Кроме того, в отдельных случаях поправки могут приводить к погрешностям в оценке степени восстановленности, что более вероятно для зольных углей сложного петрографического состава.
В связи с изложенным представляют интерес методы оценки восстановленности непосредственно по компонентам группы витринита. С этой точки зрения заслуживает внимания метод, основанный на измерении микротвердости витринита.
Возможность использования метода микротвердости для этой цели следует из результатов работы Тайца и Тябиной [77]. В 1951 г. ими было установлено, что при одной и той же стадии метаморфизма угли с более. высокой спекаемостью характеризуются пониженной микротвердостью. Позднее влияние степени восстановленности на микротвердость и её анизотропию рассматривалось в ряде работ [42, 78-8IJ. В большинстве этих исследований сделан вывод о том, что для более восстановленных каменных углей и антрацитов характерны соответственно пониженные значения микротвердости и её анизотропии. Однако количественная оценка этого влияния в области каменных углей к настоящему времени не получена. С целью решения данного вопроса проведены исследования взаимосвязей между восста-новленностьго витринита углей Кузбасса, с одной стороны, и показателем отражения, микротвердостью, с другой.
Показатель отражения витринита R измерялся в соответствии с ГОСТ 12113-77 при длине волны света 546 нм. В качестве эталона применялось оптическое стекло ТБФ-8 с показателем R = 1,055#. Среднее значение R по аншлиф-брикету получалось как результат измерений в 40 точках.
Микротвердость витринита измерялась с помощью микротвердомера ПМТ-3. Настройка прибора систематически проверялась по кристаллу каменной соли, у которой микротвердость равна 2II-2I4 МПа при нагрузке на индентор 0,098 Н [82, 83]. Время нагружения ин-дентора составляло 10 с, продолжительность выдержки - 5 с и снятия нагрузки - 10 с.
При измерении микротвердости витринита нагрузка на индентор (алмазная пирамида с квадратным основанием) принята равной 0,196 Н (20 гс). Выбор указанной нагрузки определился несколькими моментами. Наиболее важный из них связан с относительной погрешностью (коэффициентом вариации) определения длины диагонали: чем она больше, тем меньше погрешность [84-87]. Объясняется это тем, что возрастает относительная доля ошибок, обусловленных неточностями отсчета по шкале барабана, подведения нитей окуляра к краям отпечатка и фокусировки микроскопа [88]. Весьма резкое увеличение коэффициента вариации (до 7-15$) происходит при длине диагонали отпечатка менее 30 мкм. При её длине 30-40 мкм и более этот коэффициент снижается до 2-А% [84, 8б]. Как показали проведенные нами измерения микротвердости витринита каменных углей, длине диагонали 30-40 мкм отвечает нагрузка на индентор, близкая к 0,196 Н (20 гс). Такую же нагрузку применяли авторы работ [42, 78] Использовались в области каменных углей также нагрузки, равные 0,098 Н (10 гс) и 0,490 Н (50 гс) [79, 89].
Еще одним немаловажным обстоятельством, определившим выбор нагрузки, было то, что при небольшой её величине усиливается влияние микронеоднородностей [84] и действие различного рода вибраций [эо]. Последние приводят к снижению микротвердости относительно действительного её значения, что проявляется тем интенсивнее, чем меньше нагрузка. В работе [9l] отмечается, что по указанным выше причинам применение метода микротвердости цри нагрузке менее 0,098 Н (10 гс) практически невозможно, так как при этих условиях получаются несогласующиеся данные как о величине, так и о характере изменения микротвердости.
В менее и более метаморфизованных каменных углях, а также в антрацитах витринит проявляет упругие и высокоэластичные свойства [79, 92]. Отрицательная роль этих свойств при измерении микротвердости состоит в том, что после подъема индентора в месте его воздействия поверхность витринита частично или полностью восстанавливается. При этом контур отпечатка оказывается практически невидимым. По нашим оценкам, в области каменных углей упругие свойства проявляет витринит с показателем отражения менее 0,9$ и более 1,9$. В остальном диапазоне (от 0,9 до 1,9$) витринит под воздействием индентора при разных нагрузках (от 0,046 Н и более) подвергается в большинстве случаев пластической деформации. Образовавшиеся при этом отпечатки сопровождаются как внутренними (в пределах контура отпечатка), так и внешними трещинами. Последние приурочены, как правило, к углам отпечатков, что затрудняет определение границы перехода диагонали отпечатка в трещину (рис. 2.14 и 2.15). Еще более сложной является оценка длины диагонали в переходных зонах (при R около 0,9 и 1,9$), в которых витринит обнаруживает упруго-пластические свойства. В этом случае получаются неправильные по форме и уменьшенных размеров отпечатки, которые не могут быть использованы для определения микротвердости.
Распределение углей кольчугинской серии Кузбасса в системе единой классификации
Предлагаемый в настоящей работе петрографический метод определения степени восстановленности применим к неокисленным каменным углям Кузбасса.
На основе нового метода возможно исследование в геологических условиях закономерностей изменения восстановленности углей независимо от сложности их петрографического состава. В качестве примера рассмотрим результаты определения Ки углей Ленинского месторождения Кузбасса. По 7 шахтам этого месторождения исследовано II пластов по 42 пробам (см. приложение I). Среднее значение Кн для группы пластов в интервале от Красноорловского до Полысаевского составляет в среднем 0,991, а для группы (от Над-байкаимского до Емельяновского), залегающей стратиграфически ниже - 1,014. Эти данные подтверждают ранее выявленную (см. раздел 2.2.2) для Ленинского района закономерность повышения восстановленности углей вниз по разрезу отложений.
Взаимосвязь между параметрами Кн , R и Н может быть использована также при прогнозе качественных показателей угля. Она позволяет путем введения поправок получить эталонный показатель отражения К з витринита, исправленный на влияние восстановленности. Это помогает исследовать изменчивость .данного показателя в разрезах угленосных отложений под влиянием только одного фактора - метаморфизма. Приведем пример введения таких поправок. Витринит пласта 3 Беловского района (см. приложение I) характеризуется значениями R =0,80$ и Н ==302 МПа. По этим данным на графике взаимосвязи (см. рис. 2.23) находим точку. Смещая затем её параллельно ближайшей линии влияния восстановленности до точки пересечения с изолинией Кн =1,0, определяем соответствующее этой точке значение Рэ =0,89, т.е. показатель отражения витринита эталонной степени восстановленности. Для более восстановленных изометаморфных углей ( Кн 1 ) показатель R после введения поправки повышается до R9 , а для менее восстановленных ( Кн !) - понижается до этой же величины.
Для более восстановленных углей характерно, как известно, повышенное содержание водорода в сравнении с маловосстановлен-ными. Из этого следует, что между показателем Кн и содержанием водорода должна быть положительная связь. Как видно из рисунка 2.25, характер этой взаимосвязи при R =0,75-0,89$ близок к линейному. Аналогичные зависимости, хотя и менее отчетливые, отмечаются и для углей других стадий метаморфизма при близком их петрографическом составе. Указанная взаимосвязь может найти применение при оценке содержания водорода непосредственно по витриниту.
В области R =0,50-0,65$ характерно пониженное влияние воостановленности как на показатель отражения витринита, так и на микротвердость при фиксированном значении R . Вследствие этого изолинии воостановленности здесь сгущаются и приближаются по направлению к положению изолинии метаморфизма (см. рис. 2.23). Поэтому в данной области микротвердость витринита может быть использована, помимо прочего, как чувствительный показатель стадии метаморфизма. На эту возможность указывают авторы работы [Юб], проводившие исследования бурых углей.
Еще одним практическим приложением нового метода является возможность его применения для контроля результатов химических анализов углей. По значениям параметров R и Н находится величина Кн , которая сравнивается с показателем Kv , определенным через химико-петрографические характеристики. Погрешности в оценке последних вероятны в случае существенных расхождений между показателями воостановленности. Помимо этого, возможно также с учетом воостановленности расчетное определение технологических параметров. Рассмотрим пример оценки одного из них - толщины пластического слоя. Необходимость в такой оценке может возникнуть при анализе представительной пробы угля весом меньше, чем это требуется (100 г) по ГОСТ 1186-69. По пробе предварительно определяются зольность, содержание спекающих компонентов, показатель отражения и микротвердость витринита.
