Химическая характеристика углей Печорского угольного бассейна

Технические и элементарные анализы углей бассейна по наименее зольным пробам по возрастающей степени их метаморфизма сведены в табл. 35, из которой видны как общая характеристика углей по месторождениям, так и различия в их марочном составе. Ниже дана краткая характеристика основных качественных показателей углей.

Влага. Адсорбционная, или аналитическая, влага (Wa) в углях бассейна колеблется от 0,7 до 20%. Ее содержание в углях определяется стадией метаморфизма углей, их зольностью и в некоторой степени петрографическим составом. Рабочая влажность изучена по значительно меньшему числу месторождений и достигает 4—27%.

Характер зависимости содержания аналитической влаги для одних и тех же марок угля в значительной степени зависит от зольности. Так, в сильно и средне метаморфизованных углях содержание аналитической влаги обычно растет с увеличением зольности, приближаясь к влажности минеральных примесей. Содержание последней без большой ошибки может быть принято равным количеству аналитической влаги во вмещающих породах, тем более, что зольность углей обусловлена в значительной степени засорением за счет боковых пород и породных пропластков. Так, количество аналитической влаги во вмещающих породах Воркутского месторождения 2,2—2,5%, а в зольных образцах углей пакетов M и N оно достигает 1,5—1,7%, тогда как в малозольных углях не выше 1,2%.

В слабо метаморфизованных углях изменение влажности и зольности имеет обратную зависимость: содержание аналитической влаги растет с уменьшением зольности.

Устанавливается также связь между содержанием в углях аналитической влаги и некоторыми другими показателями свойств углем, в частности со спекаемостью и выходом гуминовых кислот. Угли, в которых содержание аналитической влаги больше 3,5% (при невысокой зольности), как правило, не спекаются; невыветрелые угли, в которых Wа доходит до 5—7%, уже содержат гуминовые кислоты.

Содержание рабочей влаги (Wр) в рядовых углях колеблется в следующих пределах: на Хальмеръюском месторождении от 3 до 6%, на Воркутском и Юньягинском — от 2,5 до 8% и Интинском от 10 до 15%. Крупные классы углей характеризуются меньшей влажностью по сравнению с мелочью.

Печорские угли транспортируются на большие расстояния. Поэтому для них важно определение минимального содержания влаги, при которой они начинают смерзаться. Как правило, печорские угли эксплуатируемых месторождений смерзаются только тогда, когда общее содержание влаги в них на 5—6% выше содержания аналитической влаги.

Зольность. По зольности угли бассейна разделяются на пять групп.

I группа — угли с зольностью до 12,5%. К этой группе относятся лишь некоторые пласты пакета N на Верхне-Сыръягинском, Хальмеръюском, Нижне-Сыръягинском, Воркутском, Воргашорском и Юньягинском месторождениях и пласт к5 Хальмеръюского месторождения.

II группа — угли с зольностью от 12,6 до 16,0%, к которым принадлежит большинство пластов пакета N перечисленных выше месторождений, пласт n13 участков 4 и 5 Усинского месторождения и некоторые пласты пакета L Хальмеръюского и Усинского месторождений.

III группа — угли с зольностью от 16,1 до 20%; к ним относятся некоторые пласты пакета N на южном замыкании Воркутской мульды, в южной части Усинского месторождения, а также некоторые пласты верхневоркутской свиты на Хальмеръюском, Усинском и Воргашорском месторождениях.

IV группа — угли с зольностью от 20,1 до 25%. В эту группу входят отдельные пласты пакета N (например, пласт n6 на западном крыле Воркутского и на Воргашорском месторождении) и значительная часть пластов верхневоркутской свиты Интинского и других месторождений, а также некоторые пласты печорской серии.

V группа — угли с зольностью от 25 до 32% — включает часть пластов верхневоркутской свиты и значительную часть пластов печорской серии.

При отнесении углей бассейна к той или иной группе обычно имеют в виду пластовую зольность, определенную по пробам из горных выработок, а в тех случаях, когда таких проб нет, — по керновым пробам. Установлено, что зольность товарного угля и керновых проб всегда выше зольности пластовых проб из горных выработок (табл. 36 и 37).

Товарные угли Воркутского месторождения относятся ко второй и третьей группам на шахтах, разрабатывающих пласты пакета N, и к четвертой группе — на шахтах, разрабатывающих пласты верхневоркутской свиты. Угли Интинского месторождения относятся к четвертой и пятой группам.

Состав золы углей и минеральные примеси. В золе всех изученных углей бассейна преобладает SiO2 (от 45 до 75%); на втором месте Al2O3 (от 18 до 25%); количество Fe2O3 колеблется от 3 до 20%, CaO — от десятых долей процента до 7—8%, MgO — от долей процента до 3— 5%. Содержание щелочных компонентов (Na2O + K2O) доходит до 3%, причем, как правило, преобладает К2О. Количество SO3 в золе углей достигает 7—8%. Зола углей с повышенным содержанием пирита, но с незначительными количествами карбонатов, имеет в своем составе небольшие количества SO3.

Отношение SiO2+Al2O3/Fe2O3+CaO+MgO в золе углей обычно больше 3 и в от дельных случаях доходит до 20; только в золе некоторых углей Усинского месторождения это отношение меньше 2, а в единичных случаях меньше 1. Молекулярные отношения SiO2 к Al2O3 в золе углей колеблются от 3,4 до 9, а в золе различных петрографических типов углей — от 1,7 до 14,0%.

Состав золы углей петрографических типов неодинаков. Как правило, в углях с повышенным содержанием фюзенизированных компонентов увеличивается количество SiO2 и снижается содержание основных окислов. Молекулярное отношение SiO2 к Al2O3 в золе витрена составляет 2, что отвечает каолннитовой или галлуазитовой молекуле. Как видно из табл. 38, наибольшее содержание SiO2 (до 75%) характерно для полуматовых углей.

Состав золы углей разных классов крупности и продуктов обогащения различны. Зола углей концентратов, выделенных по удельному весу 1,3, приближается к составу золы витренов и кларенов, тогда как в золе угля фракций с большим удельным весом увеличивается содержание SiO2 и Al2O3, а участие основных окислов снижается. Исключение составляют тяжелые фракции углей с удельным весом больше 1,8, в которых содержание основных окислов является высоким, так как в эту фракцию переходят пирит и карбонаты (табл. 39).

Зола угольной мелочи по сравнению с золой крупных классов содержит больше основных окислов и соответственно меньше SiO2+Al2O3, что объясняется большим содержанием витринита в мелочи.

Изменение состава золы углей по разрезу весьма четко выражено на Воркутском месторождении; зола углей пакетов H и I отличается от золы нижележащих угольных пластов большим содержанием железа и меньшим кальция и магния. Изменения в составе золы углей происходят параллельно аналогичному изменению химического состава конкреций.

Изменение состава золы углей по площади бассейна имеет следующие особенности: в южной части бассейна (Интинский угленосный район) в золе углей содержится больше основных окислов и меньше SiO2 и Al2O3, чем в более северных районах бассейна (например, на Воркутском месторождении). Наибольшее содержание SiO2 (более 60%) отмечено в золе углей Юго-Западного Пай-Хоя.

Установлено, что в печорских углях состав золы зависит и от величины зольности угля. Так, зола зольных углей содержит больше кремния и железа, чем зола углей мало- и среднезольных.

Температура плавления золы (t3) воркутских углей колеблется в пределах 1280—1430°, а интинских 1185—1235°, т. е. зола большинства углей является среднеплавкой или легкоплавкой. Температура плавления вмещающих пород Воркутского месторождения на 150—200° ниже, чем золы, и, таким образом, засорение углей вмещающими породами приводит к понижению температуры плавления золы углей.

Сера. Количество серы в углях бассейна колеблется от 0,3 до 6,0%. Большинство углей малосернистые (содержание серы до 1,5%).

Прямой связи сернистости углей с их петрографическим составом не обнаруживается. Однако выявляется определенная связь количества серы в угле с типом строения пластов: чем пестрее их петрографический состав и больше аттритовость, тем, как правило, в них больше серы, и наоборот, чем больше в пластах остатков фюзенизированных тканей, тем меньше содержание в них серы.

Угли пакета N рудницкой подсвиты, за исключением отдельных тонких пластов и большей части углей Усинского месторождения, малосернистые (меньше 1,0%). В Воркутском районе все угли верхневоркутской свиты, а также пакетов M и О рудницкой и всей аячьягинской подсвиты среднесернистые (Sобщс от 1,5 до 2,5%) и сернистые (Sобщс от 2,5 до 4%). На юге бассейна, в Интинском районе, распространены угли среднесернистые и сернистые.

Угли печорской серии преимущественно малосернистые. Сернистость их несколько повышается на Сейдинском месторождении и в Интинском районе.

В товарных углях из пластов пакета N Воркутского месторождения сера составляет 0,7—1,0%, а в углях верхневоркутской свиты 1,2—3,0%. Содержание сульфатной серы в углях незначительное — сотые доли процента, лишь в отдельных пиритизированных пачках пластов юно достигает 0,3% (пласт I2 шахты № 9—10 Воркутского месторождения). В углях, содержащих до 1% серы, преобладает сера органическая, а в углях с содержанием серы больше 1 % — колчеданная. Максимальное количество органической серы в углях составляет 0,85—0,90%.

При обогащении углей содержание серы снижается. Некоторые примеры приведены в табл. 40.

Обогащение малосернистых углей не дает почти никакого эффекта.

Фосфор. Все изученные угли верхневоркутской свиты среднефосфористые (фосфора от 0,01 до 0,03%) и фосфористые (фосфора больше 0,03%). Лишь угли основных пластов пакета N малофосфорикстые (фосфора меньше 0,01%).

Все угли с повышенной сернистостью (от среднесернистых и выше) и повышенной зольностью среднефосфористые или фосфористые, хотя иногда малозольные и среднезольные угли также являются среднефосфористыми и фосфористыми (Верхне-Сыръягинское месторождение) .

Выход летучих веществ (Vг). Выход летучих колеблется от 7 до 50%, что указывает на широкую гамму углей различной степени метаморфизма и зависит от положения углей в разрезе и на площади, а также в меньшей степени и от петрографического состава. Изменение выхода летучих веществ по разрезу происходит в соответствии со стратиграфической глубиной.

Выход летучих на средних стадиях метаморфизма является хорошим показателем как степени метаморфизма углей, так и их спекаемости. Для углей с выходом летучих ниже 34% оценка степени метаморфизма по петрографическим признакам и выходу летучих обычно совпадает. Для углей с выходом летучих выше 34% это совпадение утрачивается. Утрачивается также и соответствие между выходом летучих и характеристикой спекаемости углей. Так, угли с выходом летучих 37—38% могут иметь различную характеристику спекаемости. Например, у инти неких углей при этом выходе летучих нет никаких признаков спекаемости, тогда как у сейдинских углей толщина пластического слоя составляет 8—11 мм. Для углей с выходом летучих более 34% имеет значение величина теплоты сгорания и содержание углерода. Так, у интинских углей Qбг 7000—7600 ккал/кг, а у сейдинских— 7800—8000 ккал/кг; содержание углерода соответственно 70— 75% и 78—80%, т. е. теплота сгорания и содержание углерода могут характеризовать степень метаморфизма углей с выходом летучих более 34 %.

Элементарный состав углей. Содержание углерода в углях (Cг) колеблется от 69 до 93,5%, водорода (Hг) от 3,6 до 5,5%. Угли бассейна характеризуются высоким содержанием азота, количество которого колеблется от 2,2 до 2,7%, независимо от положения угля в стратиграфическом разрезе и от места его на площади. Содержание углерода в углях закономерно увеличивается по разрезу сверху вниз, а в синхронных частях разрезов в направлении с юго-запада на северо-восток. Как правило, в диапазоне от жирных до тощих углей количество углерода в каждой марке угля по сравнению с предыдущей увеличивается на 2—2,5%.

Спекаемость углей. Характеризуется спекаемость качественно нелетучим остатком и количественно — толщиной пластического слоя, величиной спекаемости и индексом вспучивания, определяемым по методу ИГИ АН СССР. Последний метод используется для оценки спекаемости только слабоспекающихся метаморфизованных углей. Толщина пластического слоя изменяется для разных углей от нескольких миллиметров до 38—44 мм; наибольшими значениями толщины пластического слоя отличаются некоторые угли Хальмеръюского и Пембойского месторождений.

Толщина пластического слоя зависит от содержания золы в углях и повышается в концентратах на несколько миллиметров.

Увеличение толщины пластического слоя углей с глубиной их обогащения обусловлено не только уменьшением зольности угля в легких фракциях, но и обогащением их витринитом. Изменения спекаемости сильно мётаморфизованных углей после их обогащения характеризуются данными табл. 41.

Растворимость углей в органических растворителях. При экстрагировании печорских углей марок Г и Ж смесью спиртобензола выход экстракта составляет 0,7—3,7% (так называемый битум А), а после предварительной обработки углей соляной кислотой повышается до 2,5—7,5%. Обработка соляной кислотой некоторых углей повышает выход экстракта в 5,5 раза. Из углей северо-восточной части бассейна наибольшие выходы экстракта дают газовые угли Воргашорского месторождения, утрачивающие после экстрагирования спекаемость.

Максимальной растворимостью в антраценовом масле характеризуются жирные и коксовые угли восточного крыла Воркутского и Юнь-ягинского месторождений: 72—80%. Растворимость газовых углей Воркутского месторождения (пакет Н) и коксово-жирных углей Хальмеръюского месторождения составляет в среднем 50%. Для гаммы углей от коксовых до тощих в первом приближении устанавливается следующая зависимость между выходом летучих веществ и растворимостью в антраценовом масле: уменьшению выхода летучих на 1 % соответствует понижение растворимости приблизительно на 5%.

Полукоксование углей. Выход первичной смолы в сопоставлении с данными о выходе летучих иллюстрирует табл. 42.

Максимальный выход первичной смолы в 10—15% (на рабочее топливо) отмечен для пластов Воргашорского и Пембойского месторождений. Еще больший выход смолы дает сапропелевый уголь из пласта «Мощного» Воргашорского месторождения — до 20% (см. табл. 30).

Состав первичной смолы из некоторых печорских углей приводится в табл. 43.

При разгонке обезвоженных смол из углей верхневоркутской свиты Воркутского месторождения были получены следующие выходы фракций: до 170° — от 4,1 до 6,3%; 230—270° — от 9,1 до 10,6%; 270—360° — от 36,8 до 40,6% и лек, выходы которого составляют от 28,5 до 37,2%. В составе первичных смол углей содержание фенолов составляет 4—17%; в смоле много нейтральных масел (75—90%), в которых преобладают средние и тяжелые фракции.

Самовозгорание и окисление углей. Только некоторые угли бассейна склонны к самовозгоранию. Так, угли верхневоркутской овиты Воркутского месторождения испытывают большое понижение температуры воспламенения после обработки их пергидролем. Продолжительное хранение этих углей в штабелях приводит к их самовозгоранию. Некоторые отощенные спекающиеся угли Верхне-Сыръягинского месторождения также неустойчивы к окислению. При хранении они утрачивают спекающие свойства и при определенных условиях самовозгораются.

Угли основных рабочих пластов Воркутского месторождения весьма устойчивы к окислению. Хранение этих углей в утрамбованном штабеле в течение трех лет не изменило их свойства.