Группа витринита. Отражательная способность мацералов органического вещества Необходимые условия успешной реализации технологии вдувания ПУТ

Курсовая работа

УГЛЕПЕТРОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ КАТАГЕНЕЗА ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

ВВЕДЕНИЕ

Осадочные породы часто содержат органическое вещество (ОВ), которые при катагенетическом преобразовании и дает начало нефти и газу. И изучение процесса его преобразования в процессе седиментогенеза, и последующего катагенеза, является очень важной частью исследования процесса образования нефти. До 1960 года РОВ оставалось неизученным и регистрировалось и описывалось, как сплошная, гомогенная масса органического углерода в породе, Однако огромный опыт, накопленный в угольной геологии, позволил развить методы исследований и применить их для изучения РОВ.

Петрология углей, или, углепетрография - довольно молодая геологическая наука, и появилась она в связи необходимостью различать и описывать различные компоненты, углей, а так же по их составу судить о степени преобразованности, стадии катагенеза породы, содержащей ОВ. На начальных этапах своего развития, углепетрография использовала, методы исследования, применяемые в геологии. Так, например, для изучения непрозрачных органических остатков активно использовались полированные аншлифы, для прозрачных, же использовались шлифы. Специфичность физических свойств угля потребовала адаптировать методы исследования, в частности изменить технологию приготовлении аншлифов и др.

За короткое время, углепетрография превратилась в самостоятельную науку. И стала использоваться для решения практических задач, таких как определение состава, а, как следствие, качества угля, а так же, для анализа и предсказания некоторых ценных свойств углей, таких как коксуемость. По мере развития науки, круг решаемых задач все расширялся, в сферу исследования попали такие вопросы, как генезис, разведка и оптимизация использования горючих полезных ископаемых. Кроме того методы углепетрографических исследований активно применяются для исследования РОВ пород. Изучение РОВ имеет огромное значение, т.к. оно очень широко распространено в осадочных горных породах и дает начало жидким и газообразным углеводородам, а так же может дать ученым ценную информацию о фациальной обстановке осадконакопления, степени катагенеза, а так же может служить максимальным геотермометром.

Определение при помощи углепетрографических показателей степени катагенетической преобразованности помогает в решении ряда теоретических и практических задач, например, в разведке и оценке перспективности поиска полезных ископаемых в данном регионе, так же определение направлений проведения геолого-поисковых мероприятий, а так же изучение процесса образования нефти и газа. Так же методы углепетрографии нашли применение и в других областях геологии, например они используются, для восстановления тектонических, климатических обстановок осадкообразования, а так же фациальной принадлежности данного осадка, и в стратиграфии для расчленения немых разрезов.

Благодаря применению методов углепетрографии была уточнена природа исходного материала сапропелевого ОВ. Так же было высказано предположение, что причиной накопления и сохранения больших масс сапропелевого ОВ с высоким нефтегазоносным потенциалом, является антибактериальная активность липидов водорослей. Была дополнена фациально-генетическая классификация РОВ. Была разработана шкала катагенеза РОВ по сапропелевым микрокомпонентам.

витринит катагенез микрокомпонент органический вещество

ГЛАВА 1. Катагенез органического вещества

Катагенез - наиболее длительная стадия преобразования ОВ, которая продолжает диагенез и предшествует метаморфическому преобразованию. То есть, когда в преобразовании пород начинает играть преимущественную роль барическое и термическое воздействие.

Катагенез - один из контролирующих факторов процесса образования нефти. Именно в катагенезе, находится, так называемая, главная зона газо- и нефтеобразования.

Поэтому, наверное, изучение процесса преобразования ОВ играет столь значительную роль в нефтяных исследованиях. Кроме того, изучение катагенеза, важно не только для нефтяной геологии, оно так же позволяет решать вопросы исторической геологии, структурной геологии, помогает при поиске и оценке рудных тел, скоплений твердых каустобиолитов.

Сейчас, принято выделять в катагенезе протокатагенез, мезокатагенез и апокатагенез.

Каждая из этих стадий делится на более мелкие фазы, различные исследователи пользуются различными шкалами самой распространенной является шкала, имеющая в основе своей буквенные индексы.

Эти индексы соответствуют маркам угля, которые как раз сменяются в процессе катагенетического преобразования.

Они утверждены и используются как в угольной, так и в нефтяной геологии.

Иногда у органических остатков фиксируются промежуточное состояние, когда точное определение стадии катагенеза составляет некоторую сложность.

В этом случае используют двойной индекс, который представляет собой сочетание букв обозначающих ближайшие стадии катагенеза.

В разных источниках существуют разные варианты обозначения стадий для сравнения можно привести несколько из них.

В процессе катагенеза происходит изменение ОВ, причем оно является результатом действия целого комплекса различных факторов, основные из них, это температура, давление и геологическое время. Рассмотрим влияние этих трех факторов более подробно. Главенствующую роль в процессе катагенеза, как считается, занимает температура, что объясняется, ролью температуры в химических процессах. Это подтверждается некоторыми практическими и экспериментальными данными [Парпарова Г.М., 1990 г.; 136]. Важнейшая роль температуры, отражает правило Хильта. Сущность которого заключается в том, что в угольных бассейнах, при увеличении глубины, угли объединяются летучими и обогащаются углеродом т.е. углефицируются.

Источниками тепла при катагенезе, можно назвать энергию, выделяемую, при радиоактивном распаде, магматических процессах, тектонических процессах, а так же общее повышение температуры при опускании толщ в процессе регионального метаморфизма. При магматических процессах происходит локальное интенсивное тепловое воздействие, при котором значительно меняется геотемпературный режим определенного участка земной коры. Тепловое воздействие при тектонических процессах носит так же локальный, но слабовыраженный характер, т.к. проявляется только при условии быстрого протекания самого процесса, и в отсутствие интенсивного отвода тепла от очага.

Спорным остается вопрос о реальных конкретных значениях температур, при процессе катагенеза и углеобразования.

Проблема осложняется отсутствием прямых методов определения палеотемператур, вследствие чего, все суждения о них основываются исключительно на косвенных данных и методах исследований. Мнения ученых в оценке реальных температур расходятся. Ранее считалось, что температура должна быть высокой: для каменных углей 300-350 ?С, для антрацитов 500-550?С. Реально же эти температуры заметно ниже, чем предполагалось на основании моделирования и экспериментальных данных. Все угли, образовывались на глубине не превышающей 10 км, и температура, сопровождающая этот процесс не превышала 200-250?С, что подтверждается так же исследованиями в скважинах, пройденных в США, здесь интервалы температур на глубине 5-6 км не превышают 120-150?С.

Сейчас, по результатам изучения зон контактового изменения пород вблизи магматического очага, а так же по некоторым другим данным, можно говорить, что температура данного процесса колеблется от 90 до 350 ?С. Максимальная температура достигается при максимальном опускании толщ, именно в этот период и происходит максимальный катагенез ОВ.

Давление наряду с температурой рассматривается как важнейший фактор изменения ОВ при катагенезе. Существуют различные спорные мнения по поводу роли давления в процессе катагенеза. Одни исследователи считают что давление - это один из важнейших факторов катагенеза. Другие считают, что давление оказывает отрицательное влияние на процесс углефикации. Так, например, считается, что давление способствует уплотнению вещества пород, и, как следствие, сближению его составных частей; это, как считается, способствует лучшему их взаимодействию и процессу преобразования. Об этом свидетельствует нарушение анизотропии витринита. Существует и другое мнение по данному вопросу, некоторые ученые считают не именно давление главным фактором преобразования, а сопровождающее тектонические подвижки выделение тепла и повышение температуры.

Поэтому в большинстве случаев в складчатых поясах, обстановках активного сжатия, степень преобразованности ОВ заметно выше чем в платформенных зонах [Фомин А.Н., 1987 г.; 98]. С другой стороны, процесс углефикации сопровождается обильным газовыделением, и, как следствие, повышение давления должно смещать равновесие данного процесса в обратную сторону, т.е. получается, что давление играет негативную роль в процессе преобразования ОВ. Хотя нельзя забывать, что давление и температура в природном процессе связанны. И характер преобразования ОВ при одной и той же температуре. Но разных давлениях будет различен. Итак, давление играет важную роль в процессе преобразования ОВ, но она, конечно, второстепенна и не сравнима с ролью температуры.

Еще одним фактором процесса катагенетического преобразования является геологическое время его роль, самая сложная для изучения, вследствие отсутствия возможности прямого наблюдения и изучения влияния времени на процесс катагенеза. Существуют различные мнения ученых по этому вопросу. Некоторые ученые считают, что геологическое время не оказывает значительного влияния на процесс преобразования ОВ, ссылаясь на нахождение древнего, но тем не менее, малопреобразованного ОВ. Другие утверждают что время может компенсировать недостаток температуры, это утверждение основано на принципе Ле-Шателье, который говорит, что увеличение температуры примерно на 10 градусов влечет за собой увеличение скорости реакции в два раза. Используя этот закон некоторые ученые утверждают что при большом промежутке времени реакция может протекать при сколь угодно малой температуре процесса. Но не следует забывать что процесс углефикации идет с поглощением тепла, и, как следствие, чтобы реакция пошла, необходимо довести систему до состояния, когда она преодолеет необходимый энергетический барьер активации. Предполагается, что значение температуры, необходимое для начала процесса преобразования ОВ, это 50?C [Фомин А.Н., 1987 г.; 100]. Поэтому время, видимо может компенсировать температуру только в определенных пределах.

Так же следует упомянуть такой фактор, как литологичесий состав пород, подвергающихся катагенезу. Влияние этого фактора подтверждается экспериментальными данными. Так, например П. П. Тимофеевым было впервые обращено внимание на тот факт, что содержание углерода в витрене закономерно увеличивается, а содержание кислорода уменьшается в ряду песчаник-аргиллит-уголь. Так же Г. М. Парпаровой было показано, что в мезозойских отложениях Сургутского района Западной Сибири было показано, что в песчаниках и алевритах показатели преломления витрена большей частью на 00,1 - 00,2 ниже, чем в аргиллитах и углистых породах.

Возможно это влияние связано с различной способностью пород к прогреву, так, например, аномально низкий катагенез ОВ на больших глубинах в районе Прикаспийской впадины объясняется теплопроводящим влиянием соляных куполов, играющих роль естественных природных холодильников. Роль литологического состава до конца не установлена достоверно. Эту неопределенность авторы объясняют различными причинами, такими как тип растительной ассоциации, степень гелификации и биохимического изменения пород в процессе катагенеза. Кроме того, существуют данные, которые говорят об отсутствии зависимости между литологическим составом и показателями катагенеза, в сходных условиях [Фомин А.Н., 1987 г.; 115]. Эти данные позволяют унифицировать данные об изменении оптических свойств ОВ при его преобразовании.

В общем процесс катагенеза в основном зависит от температуры, в меньшей степени от ряда других факторов.

При изучении катагенеза пользуются различными методами. Самыми надежными и точными являются углепетрографические методы исследований. В частности диагностика стадии катагенеза по отражательной способности распространенных микрокомпонентов пород. Эти методы просты по своей сути, не требуют сложного оборудования, а главное отличаются надежностью. Помимо углепетрографических методов используется целый ряд других признаков, они, по большей части, основаны на химическом составе. Это такие показатели как: элементный состав керогена, выход летучих компонентов, ИК-спектроскопия битумоидов и многие другие, они не такие точные но в совокупности могут давать точные оценки, особенно если речь идет об апокатагенезе, так как здесь уже не сказываются первичные генетические особенности ОВ.

Измерение углепетрографических показателей, с точи зрения рациональности технологии проведения исследований имеет ряд преимуществ: можно быстро и четко проводить измерения показателей отражения и преломления на образце небольшого размера, часто недостаточного для проведения химического анализа; можно проводить исследования на микроскопических включениях в породу; в результате анализа получаем параметры не комплекса микрокомпонентов, а конкретного, что позволяет применять данный метод ко всем осадочным бассейнам, так как определенные микрокомпоненты распространены повсеместно и могут служить надежным диагностическим признаком для стадий катагенеза. Таким распространенным микрокомпонентом является витринит, в основном измеряется его отражательная способность. Витринит удобен еще и тем, что он обладает закономерным изменением своих оптических свойств в процессе преобразования. Именно поэтому отражательная способность витринита принята за эталон диагностики стадий катагенеза.

ГЛАВА 2 Отражательная способность мацералов органического вещества

Отражательная способность витринита

Из всех микрокомпонентов ОВ самым лучшим с точки зрения показательности при изучении степени катагенетического преобразования является витринит. Дело в том что, для надежной диагностики необходим микрокомпонент, который должен иметь закономерное изменение свойств в процессе преобразования, в то же время он должен быть широко распространен в ОВ. Витринит отвечает всем вышеуказанным требованиям, в отличие от остальных микрокомпонентов углей и РОВ. Которые либо сливаются с общей органической массой углей уже на средних стадиях катагенеза (лейптинит), либо слабо и неравномерно реагирующими на изменение параметров окружающей среды(фюзинит). И только витринит меняет свои свойства закономерно постепенно и очень легок в диагностике.

Именно на основании отражательной способности витринита построено большинство шкал для определения степени катагенеза. Кроме него используются и другие микрокомпоненты РОВ, но в меньшей степени. В основе метода лежит закономерность повышения блеска в процессе катагенеза. Это легко можно увидеть визуально, если рассмотреть изменение блеска углей в процессе их изменение. Не требуется особых приборов, чтобы заметить, что блеск антрацита, например, намного выше блеска, бурого угля. Отражательная способность тесно связана с внутренним строением вещества, а именно со степенью упаковки частиц в веществе. От этого как раз она и зависит. Конечно, изучение степени катагенеза по отражательной способности проводится с использованием специального оборудования, например, установка ПООС-I прибор состоит из поляризационного микроскопа, оптической насадки, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и регистрирующего устройства. При проведении исследования сравниваются фототоки, вызванные светом, отраженным от поверхности образца и эталона.

Итак, за эталон при проведении исследований принят витринит, точнее его отражательная способность. Она измеряется при помощи различных фотометров и эталонов в воздухе и иммерсионной среде при строго перпендикулярном падении света на хорошо отполированную поверхность образца. Измерения проводятся лишь в узком диапазоне длин волн: от 525 до 552 нм. Это ограничение связано с техническими характеристиками прибора. За эталон принята длинна волны 546,1 нм, но небольшие колебание вокруг этого значения, практически не оказывает заметного влияния на значение измерения. Образец закрепляется на столике микроскопа и останавливается так, чтобы его поверхность была перпендикулярна оси оптической насадки. Как было сказано выше, мы измеряем интенсивность отраженного света поочередно у образца и эталона при помощи ФЭУ. По определению, отражательная способность - способность отражать часть света падающего на поверхность. Если перевести это на числовой язык, то это отношение отраженного света к падающему.

Что можно записать, как:

Где I1 - это интенсивность отраженного света, а I2 - это интенсивность падающего света. Практически же при проведении измерений используется формула

Здесь R - искомый показатель отражения, d - показания прибора при измерении исследуемого вещества, а R1, соответственно, - показатель отражения эталона и d1- показания прибора при измерении эталона. Если настроить прибор-приемник на нулевое значение для эталона, тогда формула упрощается до R=d.

Кроме витринита, для проведения измерений используются и другие микрокомпоненты ОВ. Некоторые из них обладают свойством анизотропии отражательной способности. Обычно применяется три параметра измерения: Rmax Rmin Rcp. Повышение анизотропии витринита в процессе катагенеза связано в основном с процессом постепенного упорядочивания ароматических гуминовых мицелл, связанного с повышением давления с увеличением глубины погружения. Измерения в случае анизотропного препарата идейно ничем не отличаются от измерения однородного образца, но проводится несколько измерений. При этом столик микроскопа вращается на 360? с промежутками по90?. Всегда детектируется два положения с максимальным показателем отражательной способности и два с минимальной. Угол между каждыми из них составляет 180?. Измерения проводятся для нескольких фрагментов породы, и позже вычисляется среднее значение. Как среднее арифметическое средних значений максимального и минимального измерения:

Можно сразу определять среднее значение, выбирая угол поворота 45? от максимального или минимального значения, но это измерение верно только при изучении слабо преобразованного ОВ.

При проведении исследований, возникает несколько проблем, связанных с технологией. Например, если мы имеем породу, с низким общим содержанием ОВ то появляется необходимость специальной обработки образца и перевода его в форму концентрированных аншлифов-брикетов. Но в процессе получения концентратов исходное органическое вещество подвергается химической обработке, что не может не сказаться на оптических свойствах вещества. Кроме того теряется информация о структуре органического вещества породы. Искажения в измерениях может внести и то, что технология процесса приготовления препарата не стандартизировано и готовность образца обычно определяется визуально. Проблему представляет так же физические свойства пород, такие например как сильная минерализация или хрупкость угля, в этом случае приходится изучать отражательную способность на той площади поверхности, которую удалось получить. Если правильно выбрать участок, то окружающие дефекты практически не влияют на измерения. Но принципиально количественные величины ошибок, практически не влияют на определение стадии катагенеза.

Образцы изучаются, обычно в условиях обычной воздушной среды, это легко, быстро. Но если необходимо детальное изучение под большим увеличением, применяют иммерсионные среды, обычно это кедровое масло. Оба измерения верны и каждый из них используется, но каждый в своем определенном случае. Преимущества измерений в иммерсионной среде заключаются в том, что они позволяют изучать частицы с малой размерностью, кроме того, повышается резкость, что позволяет более детально диагностировать степень катагенеза.

Дополнительной трудностью при исследованиях является диагностика микрокомпонентов ОВ так как они обычно определяются в проходящем свете. В то время как отражательная способность, очевидно в отраженном. Поэтому. Обычно в процессе исследований комбинируют два метода. То есть попеременно используют проходящий и отраженный свет для изучения одного и того же фрагмента РОВ. Для этого обычно используются двусторонне полированные шлифы. В них после просмотра и определения микрокомпонента в проходящем свете освещение переключается и проводятся замеры в отраженном свете.

Витринит может использоваться не только для определения степени преобразованности органического вещества, но и для определения его отношения к породе. У сингенетичного витринита форма фрагментов обычно удлиненная, расположены частицы параллельно плоскостям напластования и, обычно обладают клеточной структурой. Если же мы имеем дело с частицами витринита округлой, окатанной формы, то скорее всего это переотложенное вещество.

Отражательная способность других микрокомпонентов ОВ

Безусловно, витринит - это наиболее удобный для определения степени катагенеза микрокомпонент ОВ, но не всегда его удается обнаружить в породе, и не всегда он имеет хорошую сохранность. В таком случае изучают другие микрокомпоненты угля для изучения стадий кататгенеза, например, семивитринит SVt, cемифюзинитF1, фюзинит F3, лейптинит L. Поданным исследований этих компонентов уже составлены шкалы катагенеза. Они позволяют использовать для диагностики стадий результаты, полученные при изучении семивитринита, семифюзинита и фюзинита. Точность определения ограничивается стадией, вследствие нелинейности изменения оптических свойств данных микрокомпонентов. Нелинейность характерна для начальных стадий преобразования, что связывается с первичными генетическими особенностями ОВ. На поздних стадиях отражательная способность всех микрокомпонентов равномерно нарастает.

Некоторыми учеными сделана попытка использовать отражательную способность для определения преобразованности ОВ. Правда он применим только в узком интервале, ограничение связано с проблемой диагностики самого лейптинита. Его отражательная способность изменяется от 0, 04 % R? на стадии Б до 5,5 % R? на антрацитовой стадии. Общий характер закономерности изменения отражательной способности сходен с витринитом, но отличается от последнего по абсолютным значениям.

Выше рассмотрены способы определения степени преобразованности ОВ по гумусовым микрокомпонентом, и этот метод может быть применен для нефтематеринских отложений, если в них присутствуют остатки высшей наземной растительности. Зачастую же ситуация иная, и в породе присутствуют только сапропелевые разности ОВ. Тогда встает вопрос, возможна ли диагностика стадий катагенеза по определенным составляющим сапропелевого ОВ. Некоторыми исследователями широко применяется показатель преломления коллоальгинита, колохитинита, псевдовитринита, и некоторых других остатков морских отложений[ Фомин А.Н., 1987 г.; 121]. Но при этом приходится применять концентраты керогена, что не может не повлиять на характеристики вещества. Гораздо точнее показатели тек микрокомпонентов ОВ, которые имеют закономерный характер изменения свойств в процессе преобразования, и которые можно изучать в аншлифах - штуфах, без изменения характера нахождения ОВ в породе. Кроме того, псевдовитринит имеет повсеместное распространение в нефтематеринских породах, что позволяет унифицировать шкалу.

Был изучено поведение псевдовитринита на основе проб, содержащих одновременно гумусовые и сапропелевые составляющие ОВ, была выведена закономерность в изменении отражательной способности. Оказалось, что во всем диапазоне шкалы катагенеза отражательная способность псевдовитринита меньше, чем у витринита. На поздних стадиях происходит замедление темпов роста отражательной способности у псевдовитринита, в то время как, у витринита темпы роста наоборот увеличиваются [Фомин А.Н., 1987 г.; 123].

Кроме всех вышеперечисленных микрокомпонентов РОВ в осадочных толщах часто обнаруживается органическое включение битуминит. Битуминит залегает в порах, трещинах и по периферии пустот. Исходным материалом для него послужили жидкие или пластичные нафтиды, которые мигрировали и остались в породе. Позже они преобразовывались вместе с ней, подвергались воздействию давлений, температур, закалялись и стали твердыми. По характеристикам битуминита можно судить о степени преобразованности породы после миграции. Но стоит учитывать, что миграция УВ - это длительный процесс и, как следствие, можно столкнуться с ситуацией расхождения данных в одном образце. Выделяются несколько разновидностей битуинита: диабитуминит, катабитуминит и метабитуминит.

ГЛАВА 3 Показатель преломления микрокомпонентов ОВ

Помимо отражательной способности в практике исследований широко используется такой параметр, как показатель преломления. Показатель преломления служит признаком вторичных изменений молекулярной структуры микрокомпонентов ОВ в ходе катагенеза. И как следствие, измеряя показатель преломления определенных микрокомпонентов, можно с достаточной точностью диагностировать степень преобразованности данного осадка, содержащего ОВ. Наиболее плавное изменение показателя преломления происходит у витринита, для него составлена шкала показалей преломления для всего катагенеза. Используются так же и другие микрокомпоненты, но в меньшей степени.

Точность метода обеспечивается таким свойством органического вещества, как прозрачность. Так, например, точно определяется степень преобразованности у стадий Б-Т, когда ОВ прозрачно в проходящем свете. Показатель преломления, конечно можно использовать и при изучении ОВ антрацитовой стадии, правда возникает проблема в диагностике микрокомпонентов, так как на высокой стадии преобразованности оптические свойства микрокомпонентов заметно сближаются. Интервал возможности определения оптических параметром зависит от используемой жидкости, так, например при использовании обычных иммерсионных жидкостей возможно определение стадий Б и Д. При использовании же высокопреломляющих иммерсионных жидкостей возможно диагностировать стадии Б - А включительно. Если же использовать сплавы йодидов мышьяка, сурьмы с пиперином, можно проводить определение стадий Г - Т.

Измерения проводятся на тонко измельченной крошке образца. Получают его простым механическим извлечением из породы с последующим измельчением, или же путем химической экстракции.

Изучение проводится образом, сходным с измерением отражающей способности, то есть сравнительным методом. Для этого на предметное стекло микроскопа помещается несколько углистых частиц и плавно распределяется по площади стекла так, чтобы частицы не соприкасались и не накладывались; а сверху накрывается другим стеклом. В полость между стеклами помещается жидкость с предполагаемым показателем преломления образца. Если визуальное определение не уверенное, то целесообразно приготовление нескольких препаратов с разными жидкостями.

Для определения высоких степеней преобразованности используются сплавы, для приготовления препаратов необходимо расплавить вещество и поместить в полученный расплав частицы вещества. Собственно определение аналогично определению в иммерсионных жидкостях. Оно основано на таком явлении, как полоска Беке, это тонкая светлая каемка, вокруг исследуемого препарата, появляется она на границе двух сред с разными показателями преломления. Для проведения измерения необходимо настроить резкость микроскопа и найти полоску Бекке, а после этого плавно отодвигать тубус микроскопа при этом полоска будет перемещаться в сторону той среды, которая имеет больший показатель преломления. Если полоска перемещается в сторону жидкости от образца, тогда он имеет больший показатель преломления, и наоборот. Так, поочередно сравнивая показатель преломления образца с показателями известных жидкостей, можно добиться полного исчезновения полоски, тогда можно сказать, что показатель преломления равен эталонному.

ГЛАВА 4. Визуальная диагностика стадий катагенеза

Для более качественной и быстрой оценки стадии катагенеза, необходимо перед количественной точной оценкой проводить качественную приблизительную оценку преобразованности ОВ. Обычно это проводится по визуальным признакам, таким, как цвет в проходящем и отраженном свете, сохранность анатомического строения, рельеф а так же цвет и интенсивность свечения в ультрафиолетовых лучах. Несмотря на сохранение особенностей исходного растительного материала микрокомпонентов, каждый из них в ходе карбонизации изменяет свои оптические, химические и физические свойства. Но происходит это с различной скоростью, некоторые реагируют очень сильно. Поэтому для визуально диагностики необходимо использовать в основном липоидные компоненты, которые очень чувствительны к изменению условий среды. Что очень сказывается на их цвете, и как следствие, можно судить о степени преобразованности по цвету микрокомпонентов.

Разные параметры микрокомпонентов по разному реагируют на процесс преобразования, так, например, анатомическая структура микрокомпонентов постепенно теряется. На стадиях Б - Ж она отчетлива, позже постепенно затушевывается. В ВТО же время, в процессе увеличения стадии катагенеза, растет рельеф микрокомпонентов. Так же по ходу катагенеза у микрокомпонентов растет анизотропия. В общем, анизотропия некоторых микрокомпонентов нарастает в процессе преобразования. Анизотропия, вообще - это свойство каких-либо веществ обладать различными значениями некоторых свойств в различных направлениях, кристаллографических, либо же просто связанных со структурой вещества, это проявляется прежде всего в цвете вещества. Цвет изменяется в зависимости от направления колебаний поляризованного света, проходящего через вещество. Это явление названо плеохроизмом. Наблюдается оно в проходящем свете при одном николе. При использовании отраженного света анизотропия образца проявляется в его поляризации.

Для каждой стадии преобразования ОВ существует определенный набор визуальных признаков и по ним можно довольно легко диагностировать стадии катагенеза. Рассмотрим их подробнее.

Для стадии Б характерно то, что липоидные компоненты при одном николе почти белые, с легким желтоватым оттенком. Витринит оранжево-красный или коричневый с красным оттенком, с трещинами усыхания и хорошо сохранившейся структурой, по которым можно определить принадлежность вещества к определенному типу растительной ткани. В скрещенных николях липоидные компоненты практически однородны или дают слабое просветление. Отдельные частицы практически не упорядочены, споры слабо сплющены. В отраженном свете витринит серый, лейптинит имеет коричневато-серые тона, споры хорошо видны и окружены характерным ободком.

Для стадии Д характерна большая упорядоченность в расположении растительных остатков. Лейптинит светло-желтый, анизотропный. Легко различаются гелифицированные компоненты, их цвет изменяется от красновато-желтого до коричневато-красного. На этой стадии отчетливо начинает проявляться анизотропия ОВ В структурных витринитах проявляется тканевая анизотропия. Часто в скрещенных николях можно проследить структуру тканей исходного вещества. Если наблюдать образцы в отраженном свете, то ОВ в целом изотропно, при одном николе состав и структура его четко различимы. Кутинит коричневато - серый и хорошо различим. Витринит имеет серые тона различной интенсивности.

На стадии Г увеличивается степень упорядоченности, ориентировка микрокомпонентов параллельно напластованию. Хорошо различимы компоненты с тканевой структурой, сеточное строение. Наиболее важным диагностическим признаком является цвет оболочек спор, по этому признаку удается разделить данную стадию не подстадии. На подстадии Г1 они золотисто - желтые и реже соломенно - желтые, на Г2 желтые, на Г3 темно-желтые. Для витринита характерна красновато-желтая окраска. В отраженном свете Лейптинит коричневато-серый или серый, споры рельефны, витринит серый.

Стадия Ж характеризуется оранжевым цветом спор как в проходящее, так и в отраженном свете. По оттенкам оранжевого цвета, стадию Ж можно разделить на три подстадии: Ж1 характеризуется желтым оттенком в цвете, на Ж2 они оранжевые и темно-оранжевые, на Ж3 с красноватым оттенком. В отраженном свете для спор характерны бежево-серые тона на стадии Ж1, песочно-серые на стадии Ж2 и светло-серые на Ж3.

В стадии К выделяют две подстадии К1 И К2. На стадии К1 лейптинит имеет красноватые тона в проходящем свете, в отраженном он серовато-белый. На подстадии К2 при проходящем свете видны лишь единичные коричневые фрагменты споринита или кутинита. Структура гелифицирванного вещества в основном монолитна без отчетливого проявления структуры исходного вещества.

Стадия ОС по количественным показателям разделяется на две подстадии: ОС1 и ОС2, но они практически неразличимы по петрографическим признакам. В общей массе удается различить отдельные остатки кутинита или спор. Все детали строения ОВ хорошо видны в основном в проходящем свете. При скрещенных николях хорошо видна структура вторичная, иногда первичная различных видов витринита.

Стадия Т так же как и ОС разделяется на две подстадии. На стадии Т видны редкие липоидные компоненты, имеющие коричневатую окраску. Наблюдается отчетливый плеохроизм, который лучше заметен на подстадии Т2, чем на подстадии Т3. В органической массе наблюдаются лишь единичные светлые штрихи и нитевидные обрывки.

На стадии ПА в тонких шлифах при одном николе гелифицированные компонеты красновато-коричневые, бурые, реже черные. Лейптинит имеет слегка коричневатые тона. Споринит и кутинит в скрещенных николях розовато-желтые. Наиболее анизотропны фрагменты витринита и некоторые образования белого цвета, по форме напоминающие лейптинит. На стадии А в тонких полированных шлифах органическое вещество просвечивает лишь местами. В отраженном свете благодаря отчетливой анизотропии многие детали в строении отдельных микрокомпонентов сравнительно хорошо различимы как при одном, так и при двух николях. В ходе катагенеза изменяется также окраска микрокомпонентов группы альгинита. Наиболее закономерно это происходит у талламоальгинита, сохранившихся остатков водорослей. Так, например, в интервале стадий катагенеза от Б до Ж его цвет в проходящем свете. Далее с ростом катагенеза у него появляется сероватый оттенок. На стадии Б у талламоальгинита отмечается яркая люминисценция зеленовато-желтого, реже голубого цвета. На стадиях Д и Г ее интенсивность заметно ослабевает и на стадии Ж уже не фиксируется. В отраженном свете окраска талламоальгинита изменяется от темной на начальных этапах катагенеза, до серо-белой в антрацитах.

В общем наиболее четко реагируют на изменение термобарических условий липоидные компоненты. Окраска гелифицированных и водорослевых компонентов - мне показательный признак. В процессе катагенеза. Каждый из микрокомпонентов остается индивидуальным сохраняет определенные особенности. Но физические свойства и другие характеристики претерпевают существенные изменения. Общая последовательность изменения углепетрографических показателей отражена в табл 1.

Марка А (антрацит).
Антрациты объединяют уголь с показателем отражения витринита более 2,59%.При выходе летучих веществ менее 8% к антрацитам относятся также угли с показателем отражения витринита от 2,2 до 2,59%. Основная масса антрацитов используется в энергетических целях. Средние и крупные классы их служат в качестве бездымного топлива в коммунально-бытовом секторе. Часть антрацитов направляется на производство термоантрацита, который, в свою очередь, используется в качестве основного углеродистого наполнителя при изготовлении катодных блоков для электролизеров в алюминиевой промышленности. Антрациты применяются также для производства карбида кремния и карбида алюминия.

Марка Д (длиннопламенный) .
Уголь длиннопламенный представляют собой угли с показателем отражения витринита от 0,4 до 0,79% с выходом летучих веществ более 28-30% при порошкообразном или слабоспекающемся нелетучем остатке. Длиннопламенные угли не спекаются и относятся к энергетическим углям. Направления использования этих углей - энергетическое и коммунально-бытовое топливо, поэтому их наиболее существенной характеристикой является теплота сгорания. При переходе к следующей марке ДГ теплотворная способность углей существенно увеличивается. Исследования показали, что длиннопламенный уголь с невысокой зольностью может служить хорошим сырьем для производства синтетического жидкого топлива и химических продуктов, получения формованного кокса и сферических абсорбентов,низкотемпературного (до 700 градусов) коксования.

Марка ДГ (длиннопламенный газовый).
Угли длиннопламенные газовые представляют собой уголь с показателем отражения витринита от 0,4 до 0,79% с выходом летучих веществ более 28-30% при порошкообразном или слабоспекающемся нелетучем остатке. Эти угли являются переходными между углями марок Д и Г. От длиннопламенных углей они отличаются наличием спекаемости (толщина пластического слоя 6-9 мм, а от газовых с аналогичной спекаемостью - более незначительной хрупкостью и повышенной механической прочностью. Последнее обстоятельство обусловливает преобладание среди таких углей крупно-средних классов. Уголь марки ДГ также относят к группе энергетических углей. Для участия в коксовых шихтах они мало пригодны, т.к. образующийся кокс отличается низкой механической прочностью и повышенной реакционной способностью.

Марка Г (газовый).
Уголь газовый имеет две технологические группы. Витринитовые угли (показатель отражения витринита от 0,5 до 0,89%) с выходом летучих веществ 38% и более, при толщине пластического слоя от 10 до 12 мм образуют группу 1Г, витринитовые и инертинитовые угли с показателем отражения витринита 0,8 - 0,99%, выходом летучих веществ 30% и выше и толщиной пластического слоя от 13 до 16 мм образуют группа 2Г.Влажность газового угля обычно не превышает 10 %, зольность изменяется в пределах от 7 до 35% с преобладанием зольности 10-15%. Газовые угли используются в основном как энергетическое и коммунально-бытовое топливо. На коксование направляют уголь группы 2Г с толщиной пластического слой более13мм.Ограниченная возможность применения газовых углей в шихтах коксохимических заводов, производящих металлурги¬ческий кокс, связана с тем, что они при слоевом коксовании обусловливают образование микротрещин в коксе, существенно снижающих его прочность. Газовый уголь с толщиной пластического слоя 8-12 мм используются для производства формованного кокса и сферических абсорбентов, а угли с толщиной пластического слоя менее 8 мм - для газификации и полукоксования. Витринитовые малозольные угли марки Г с выходом летучих веществ более 42% являются хорошим сырьем для производства синтетического жидкого топлива.
Марка Б (Бурый).
Уголь бурый характеризуется низким значением показателя отражения витринита (менее 0,6%) и высоким выходом летучих веществ (более 45%). Бурые угли делятся в зависимости от влажности на технологические группы: 1Б (влажность свыше 40%), 2Б (30-40%), 3Б (до 30%). Бурые угли Канско-Ачинского угольного бассейна представлены в основном группой 2Б и частично - 3Б (показатель отражения витринита 0,27-0,46%), бурые угли Подмосковного бассейна относятся к группе 2Б, угли Павловского и Бикинского месторождений (Приморский край) относятся к группе 1Б. Бурый уголь используют как энергетическое топливо и химическое сырье.

Марка ГЖО (газовый жирный отощенный).
Угли газовые жирные отощенные по значениям выхода летучих веществ и толщины пластического слоя занимают промежуточное положение между углями марок Г и ГЖ. Выделяют две технологические группы. В техноло-гическую группу 1ГЖО выделены уголь с показателем отражения витринита менее 0,8% и выходом летучих веществ менее 38%, с толщиной пластического слоя от 10 до 16 мм. В группу 2ГЖО входят угли с показателем отражения витринита 0,80-0,99%, выходом летучих веществ менее 38%, с толщиной пластического слоя 10-13 мм, а также угли с показателем отражения витринита 0,80-0,89% с выходом летучих веществ 36% и более при толщине пластического слоя 14-16мм. Влажность марки ГЖО колеблет¬ся в пределах 6-8%, зольность - 6-40%. Содержание уг¬лерода изменяется в пределах 78-85%, водорода - от 4,8 до 6,0%, серы 0,2-0,8%. Уголь марки ГЖО характеризуются широкой вариацией свойств, что не позволяет рекомендовать для их использования какое-либо одно направление. Уголь группы 1ГЖО при толщине пластического слоя менее 13 мм могут составлять не более 20% шихт коксохимических заводов, и лишь при условии, что остальная часть шихты содержит хорошо спекающиеся угли с показателем отражения витринита от 1 до 1,5%. Уголь группы 2ГЖО являются хорошим сырьем для коксования (особенно при показателе отражения витринита не менее 0,85%) и могут составлять более половины шихты. Фюзинитовый уголь группы 1ГЖО (подгруппа 1ГЖОФ) совершенно непригоден для производства металлургического кокса,и могут использоваться в коммунально-бытовом (крупные классы) или энергетическом (мелкие классы) секторах.

Марка ГЖ (газовый жирный).
Угли газовые жирные занимают промежуточное положение между марками углей Г и Ж и делятся на две группы. Группа 1ГЖ объединяет уголь с показателем отражения витринита 0,5-0,79%, выходом летучих веществ 38% и более и толщиной пластического слоя более 16 мм. Группа 2ГЖ объединяет уголь с показателем отражения витринита 0,8-0,99%, выходом летучих веществ 36% и более, толщиной пластического слоя 17-25 мм. От газовых углей марка ГЖ отличается более высокой спекаемостью, а от углей марки Ж — более высоким выходом летучих веществ. Угли марки ГЖ в основном используются в коксохимическойпромышленности и входят в группу марок углей, особо ценных для коксования. В большинстве случаев они могут полностью заменить жирные угли в шихтах коксохимических заводов. Концентраты угля марки ГЖ с зольностью менее 2% целесообразно применять в качестве связующего при производстве электродной и углеграфитовой продукции; угли марки ГЖ пригодны и для производства синтетического жидкого топлива.

Марка Ж (жирный).
Угли жирные подразделяются на две группы. К первой группе (1Ж) относятся уголь с показателем отражения витринита 0,8-1,19%, выходом летучих веществ 28-35,9% и толщиной пластического слоя 14-17 мм. Ко второй группе (2Ж) относятся угли с показателем отражения витринита 0,8-0,99%, выходом летучих веществ 36% и более, при толщине пластического слоя 26 мм и более. К этой же группе относятся угли с такими же значениями показателя отражения витринита, но с выходом летучих веществ от 30 до 36% при толщине пластического слоя 18 мм и выше. Также в группу 2Ж включаются уголь с показателем отражения витринита 1-1,19% с выходом летучих веществ не менее 30% при толщине пластического слоя не менее 18 мм. Уголь марки Ж относятся к особо ценным коксующимся углям и применяются главным образом в коксохимической промышленности, составляя от 20 до 70% коксовых шихт. Кокс, полученный из углей марки Ж, обладает высокой структурной прочностью.

Марка КЖ (коксовый жирный).
Угли коксовые жирные выделяются как уголь с показателем отражения витринита 0,9-1,29%, толщиной пластического слоя 18 мм, с выходом летучих веществ 25-30%. Основным потребителем угля марки КЖ является коксохимическая промышленность. Из всех марок уг¬лей, применяемых для получения кокса, они обладают наиболее высокой коксуемостью.Высококачественный металлургический кокс из них получается без смешивания с уг¬лями других марок. Кроме того, они способны принимать без изменения качества кокса до 20% присадочных углей марок КО, КС и ОС.

Марка К (Коксовый).
Уголь коксовый характеризуют показателем отражения витринита от 1 до 1,29%, а также хорошей спекаемостью. Толщина пластического слоя составляет 13-17 мм у углей с показателем отражения витринита 1,0-1,29% и 13 мм и выше с показателем отражения витринита 1,3-1,69%. Выход лету¬чих веществ находится в пределах 24-24,9%. Без смешивания их с углями других марок обеспечивают получение кондиционного металлургического кокса. Качество кокса может существенно возрастать при смешивании углей марки К с 20-40% углей марок Ж, ГЖ и КЖ.

Марка КО (Коксовый отощенный).
Уголь коксовый отощенный представляют собой уголь с выходом летучих веществ, близким по значениям к коксовым углям, но с меньшей толщиной пластического слоя - 10-12 мм. Показатель отражения витринита - 0,8-0,99%. Уголь марки КО применяются в основном для производства металлургического кокса в качестве одного из присадочных углей к маркам ГЖ и Ж.

Марка КСН (коксовый слабоспекающийся низкометаморфизованный).
Угли коксовые слабоспекающиеся низкометаморфизованные характеризуются показателем отражения витринита от 0,8 до 1,09%. При коксовании без смешивания с другими углями они дают механически мало прочный, сильно истирающийся кокс. Применяются как в коксохимической промышленности, так и в энергетике и коммунально-бытовом секторе. Уголь марки КСН может также использоваться для получения синтетического газа.

Марка КС (Коксовый слабоспекающийся).
Угли коксовые слабоспекающиеся характеризуются низкой спекаемостью (толщина пластического слоя 6-9 мм с показателем отражения витринита 1,1-1,69%. Уголь марки КС используются в основном в коксохимической промышленности в качестве отощающего компонента. Часть угля используется для слоевого сжигания в промышленных котельных и в коммунально-бытовом секторе. Угли коксовые слабоспекающиеся характеризуются низкой спекаемостью (толщина пластического слоя 6-9 мм с показателем отражения витринита 1,1-1,69%. Уголь марки КС используются в основном в коксохимической промышленности в качестве отощающего компонента. Часть угля используется для слоевого сжигания в промышленных котельных и в коммунально-бытовом секторе.

Марка ОС (отощенный спекающийся).
Угли отощенные спекающиеся имеют показатели отражения витринита от 1,3 до 1,8% и выход летучих веществ не более 21,9%. Толщина пластического слоя для группы 2ОС составляет 6-7 мм, а для группы 1ОС - 9-12 мм при витринитовом составе и 10-12 мм при фюзинитовом. Влажность добытых углей марки ОС не превы¬шает 8-10%. Зольность колеблется от 7 до 40%. Содержание серы в Кузнецком бассейне не превышает 0,6%, в Ка¬рагандинском достигает иногда 1,2%, в Донбассе 1,2-4,0%. Содержание углерода составляет 88-91%, водорода 4,2-5,%. Основным потребителем угля марки ОС является коксохимическая промышленность; эти угли - одна из лучших отощающих компонентов в коксовых шихтах. Некоторые угли марки ОС даже без смешивания с углями других марок дают высококачественный металлургический кокс; но при коксовании они развивают большое давление распирания на стенки коксовых печей, кокс из печей выдается с большим трудом, что приводит к быстрому выходу печей из строя. Поэтому уголь марки ОС обычно коксуют в смеси с углями марок Г и ГЖ, обладающими высокой степенью усадки.

Марка ТС (тощий слабоспекающийся).
Угли тощие слабоспекающиеся характеризуются выходом летучих веществ менее 22% и весьма низкой спекаемостью (толщина пластического слоя менее 6 мм. Влажность добытого угля марки ТС низкая - 4-6%. Зольность находится в пределах 6-45%. Содержание углерода 89-91%, водоро¬да 4,0-4,8%.Содержа¬ние серы в углях Кузбасса 0,3-0,5%, Донбасса 0,8-4,5%. Уголь марки ТС используются как в коксохимической промышленности, так и, в основном, в энергетике; крупно-средние классы углей этой марки являются хорошим бездымным топливом для мелких котельных и индивидуального бытового применения.

Марка СС (слабоспекающийся).
Угли слабоспекающиеся характеризуются показателем отражения витринита в пределах 0,7-1,79%, толщиной пластического слоя менее 6 мм и выходом летучих веществ, характерным для хорошо коксующихся углей марок Ж, КЖ, К, КС и ОС. Влажность добытого угля достигает 8-9%. Зольность колеблется от 8 до 45%. Содержание серы обычно не превышает 0,8%. Содержание углерода колеблется от 74 до 90%, водорода от 4,0 до 5,0%. Применяются главным образом на крупных электростанциях, в промышленных котельных и коммунально-бытовом секторе. В ограниченном количестве отдельные разновидности углей марки СС применяются в шихтах коксохимических заводов.

Марка Т (тощий).
Уголь тощий характеризуется выходом летучих веществ от 8 до 15,9% с показателем отражения витринита от 1,3 до 2,59%; спекаемость отсутствует. Используются в основном в электроэнергетике и в коммунально-бытовом секторе; при условии малой зольности могут использоваться для получения углеродистых наполнителей в электродном производстве.

Рассчитываются показатели отражательной способности витринита как на воздухе R а, так и в масляной иммерсии R o . r . По значению R o . r оценивается класс каменного угля в промышленно – генетической классификации (ГОСТ 25543-88).

На рис. 2.1 приведена связь между расчётным значением параметра и показателем отражения витринита на воздухе R а.

Между и R а имеется тесная корреляционная связь: коэффициент парной корреляции r = 0,996, детерминации – 0,992.

Рис.2.1. Взаимосвязь между параметром каменного угля и показателем

отражения витринита на воздухе R а (светлые и тёмные точки –

различные источники)

Представленная зависимость описывается уравнением:

R а = 1,17 - 2,01. (2.6)

Между расчётным значением и показателем отражения витринита в масляной иммерсии R о. r связь нелинейная. Результаты исследований показали, что имеется прямолинейная связь структурного параметра витринита ( Vt) с показателями липтинита ( L) и инертинита ( I).

Для углей Кузбасса взаимосвязь между показателями R о. r и следующая:

R о. r = 5,493 - 1,3797 + 0,09689 2 . (2.7)

На рис.2.2 приведена взаимосвязь между показателями отражения витринита в масляной иммерсии R о. r (оп) и вычисленном по уравнению (2.7) R o . r (выч).

Рис.2.2. Корреляция между опытными R о. r (оп) и вычисленными R o . r (выч)

значениями показателя отражения витринита углей Кузбасса

Представленная на рис. 2.2 графическая зависимость характеризуется следующими статистическими показателями: r = 0,990; R 2 = 0,9801.

Таким образом, параметр однозначно характеризует степень метаморфизма каменных углей.

2.3.Действительная плотность угля d r

Является важнейшей физической характеристикой ТГИ. Используется

при расчёте пористости топлив, процессов и аппаратов их переработки и др.

Действительная плотность угляd r рассчитывается по аддитивности с учётом содержания в нём количества молей углерода, водорода, азота, кислорода и серы, а также минеральных компонентов по уравнению:

d = V o d + ΣV Mi d Mi + 0,021, (2.8)

где V о и V – объёмное содержание в угле органической массы и отдельных минеральных примесей в долях единицы, %;

d и d Mi – значения действительных плотностей органической массы угля и минеральных примесей;

0,021- поправочный коэффициент.

Плотность органической массы угля рассчитывается на 100г её массы d 100 ;

d 100 = 100/V 100 , (2.9)

где величина V 100 – объёмное содержание в угле органической массы, доли единицы. Определяется по уравнению:

V 100 = n C + H n H + N n N + O n O + S n S , (2.10)

где n C o , n H o , n N o , n O o и n S o – число молей углерода, водорода, азота и серы в 100г ОМУ;

H , N , O и S – эмпирические коэффициенты, определённые экспериментально для различных углей.

Уравнение для расчета V 100 витринита углей в интервале содержания в ОМУ углерода от 70,5% до 95,0% имеет вид

V 100 = 5,35 C o + 5,32 H o + 81,61 N o + 4,06 O o + 119,20 S o (2.11)

На рис.2.3 приведена графическая зависимость между расчётными и действительными значениями плотности витринита углей, т.е. d = (d )

Между значениями истинной плотности витринита расчетной и экспериментальной имеется тесная корреляционная связь. При этом коэффициент множественной корреляции составляет 0,998, детерминации – 0,9960.

Рис.2.3. Сопоставление расчётных и экспериментальных

значений истинной плотности витринита

Выход летучих веществ

Рассчитывается по уравнению:

V daf = V x Vt + V x L + V x I (2.12)

где x Vt ,x L и x I – доля витринита, липтинита и инертинита в составе угля (x Vt + x L + x I = 1);

V , V и V – зависимость выхода летучих веществ из витринита, липтинита и инертинита от параметра :

V = 63,608 + (2,389 – 0,6527 Vt) Vt , (2.7)

V = 109,344 – 8,439 L , (2.8)

V = 20,23 exp [ (0,4478 – 0,1218 L) ( L – 10,26)], (2.9)

где Vt , L и I – значения параметров , рассчитанные для витринита, липтинита и инертинита по их элементному составу.

На рис.2.4 представлена связь расчётного выхода летучих веществ на сухое беззольное состояние с определённым по ГОСТ. Коэффициент парной корреляции r = 0,986 и детерминации R 2 = 0,972.

Рис.2.4. Сопоставление опытных V daf (оп) и расчётных V daf (расч) значе

ний выхода летучих веществ из петрографически неоднородных углей

Кузнецкого бассейна

Взаимосвязь параметра с выходом летучих веществ из углей месторождений ЮАР,США и Австралии представлена на рис. 2.5.

Рис.2.5.Зависимость выхода летучих веществ V daf от структурно - химического

параметра витринитовых углей:

1 – Кузнецкого угольного бассейна;

2 – месторождений угля ЮАР, США и Австралии.

Как следует из данных рисунка связь с выходом летучих веществ указанных стран очень тесная. Коэффициент парной корреляции составляет 0,969, детерминации - 0,939. Таким образом параметр с высокой достоверностью позволяет прогнозировать выход летучих веществ из каменных углей мировых месторождений.

Теплота сгорания Q

Важнейшая характеристика ТГИ как энергетического топлива показывает возможное количество тепла, которое выделяется при сжигании 1кг твёрдого или жидкого или 1м 3 газообразного топлив.

Различают высшую (Q S) и низшую (Q i) теплоты сгорания топлив.

Высшая теплота сгорания определяется в колориметре с учётом теплоты конденсации водяных паров, образовавшихся при сгорании топлива.

Расчёт теплоты сгорания твёрдого топлива производится по формуле Д.И.Менделеева на основании данных элементного состава:

Q = 4,184 [ 81C daf +300H daf +26 (S - O daf)], (2.16)

где Q - низшая теплота сгорания, кДж/кг;

4,184 –коэффициент перевода ккал в мДж.

Данные результатов исследований ТГИ показали, что учитывая неидентичные условия углеобразования угольных бассейнов значение коэффициентов при C daf , H daf , S и O daf будут отличными и формула для расчёта теплоты сгорания имеет вид:

Q = 4,184, (2.17)

где q C , q H , q SO – коэффициенты, определяемые экспериментально для различных угольных месторождений.

В табл. 2.1 приведены уравнения регрессии для расчёта низшей теплоты сгорания углей различных месторождений ТГИ Российской Федерации.

Таблица 2.1 - Уравнения для расчёта низшей теплоты сгорания по бомбе углей

различных бассейнов Российской Федерации

Представленные в таблице значения коэффициента парной корреляции между теплотами сгорания расчётными по уравнениям и определёнными по бомбе показывают их тесную корреляционную связь. При этом коэффициент детерминации изменяется в пределах 0,9804 – 0,9880.

Количество фюзенизированных компонентов ∑ОК определяют категорию каменного угля и позволяют в комплексе с другими показателями дать оценку использования угля в технологии коксования.

Параметр ∑ОК представляет собой сумму содержания в угле инертинита I и части (2/3) семивитринита S v:

∑ОК = I+ 2/3 S v . (2.18)

Результатами исследований показано, что наиболее тесно содержание в углях отощающих компонентов коррелируется с совместным влиянием параметров и H/C. Уравнение для расчёта ∑ОК имеет вид:

∑ОК = b 0 + b 1 + b 2 (H/C) + b 3 (H/C) + b 4 (H/C) 2 +b 5 2 . (2.19)

Коэффициент парной корреляции взаимосвязи ∑ОК различных марок углей и шихт Кузнецкого бассейна изменяется от 0,891 до 0,956.

Установлено, что более высокая взаимосвязь расчётных значений ∑ОК по уравнениям и определённых экспериментально у среднеметаморфизованных углей. Взаимосвязь ∑ОК с углями более высокой степени метаморфизма снижается.

Из всех микрокомпонентов ОВ самым лучшим с точки зрения показательности при изучении степени катагенетического преобразования является витринит. Дело в том что, для надежной диагностики необходим микрокомпонент, который должен иметь закономерное изменение свойств в процессе преобразования, в то же время он должен быть широко распространен в ОВ. Витринит отвечает всем вышеуказанным требованиям, в отличие от остальных микрокомпонентов углей и РОВ. Которые либо сливаются с общей органической массой углей уже на средних стадиях катагенеза (лейптинит), либо слабо и неравномерно реагирующими на изменение параметров окружающей среды(фюзинит). И только витринит меняет свои свойства закономерно постепенно и очень легок в диагностике.

Именно на основании отражательной способности витринита построено большинство шкал для определения степени катагенеза. Кроме него используются и другие микрокомпоненты РОВ, но в меньшей степени. В основе метода лежит закономерность повышения блеска в процессе катагенеза. Это легко можно увидеть визуально, если рассмотреть изменение блеска углей в процессе их изменение. Не требуется особых приборов, чтобы заметить, что блеск антрацита, например, намного выше блеска, бурого угля. Отражательная способность тесно связана с внутренним строением вещества, а именно со степенью упаковки частиц в веществе. От этого как раз она и зависит. Конечно, изучение степени катагенеза по отражательной способности проводится с использованием специального оборудования, например, установка ПООС-I прибор состоит из поляризационного микроскопа, оптической насадки, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и регистрирующего устройства. При проведении исследования сравниваются фототоки, вызванные светом, отраженным от поверхности образца и эталона.

Итак, за эталон при проведении исследований принят витринит, точнее его отражательная способность. Она измеряется при помощи различных фотометров и эталонов в воздухе и иммерсионной среде при строго перпендикулярном падении света на хорошо отполированную поверхность образца. Измерения проводятся лишь в узком диапазоне длин волн: от 525 до 552 нм. Это ограничение связано с техническими характеристиками прибора. За эталон принята длинна волны 546,1 нм, но небольшие колебание вокруг этого значения, практически не оказывает заметного влияния на значение измерения. Образец закрепляется на столике микроскопа и останавливается так, чтобы его поверхность была перпендикулярна оси оптической насадки. Как было сказано выше, мы измеряем интенсивность отраженного света поочередно у образца и эталона при помощи ФЭУ. По определению, отражательная способность - способность отражать часть света падающего на поверхность. Если перевести это на числовой язык, то это отношение отраженного света к падающему.

Что можно записать, как:

Где I1 - это интенсивность отраженного света, а I2 - это интенсивность падающего света. Практически же при проведении измерений используется формула

Здесь R - искомый показатель отражения, d - показания прибора при измерении исследуемого вещества, а R1, соответственно, - показатель отражения эталона и d1- показания прибора при измерении эталона. Если настроить прибор-приемник на нулевое значение для эталона, тогда формула упрощается до R=d.

Кроме витринита, для проведения измерений используются и другие микрокомпоненты ОВ. Некоторые из них обладают свойством анизотропии отражательной способности. Обычно применяется три параметра измерения: Rmax Rmin Rcp. Повышение анизотропии витринита в процессе катагенеза связано в основном с процессом постепенного упорядочивания ароматических гуминовых мицелл, связанного с повышением давления с увеличением глубины погружения. Измерения в случае анизотропного препарата идейно ничем не отличаются от измерения однородного образца, но проводится несколько измерений. При этом столик микроскопа вращается на 360? с промежутками по90?. Всегда детектируется два положения с максимальным показателем отражательной способности и два с минимальной. Угол между каждыми из них составляет 180?. Измерения проводятся для нескольких фрагментов породы, и позже вычисляется среднее значение. Как среднее арифметическое средних значений максимального и минимального измерения:

Можно сразу определять среднее значение, выбирая угол поворота 45? от максимального или минимального значения, но это измерение верно только при изучении слабо преобразованного ОВ.

При проведении исследований, возникает несколько проблем, связанных с технологией. Например, если мы имеем породу, с низким общим содержанием ОВ то появляется необходимость специальной обработки образца и перевода его в форму концентрированных аншлифов-брикетов. Но в процессе получения концентратов исходное органическое вещество подвергается химической обработке, что не может не сказаться на оптических свойствах вещества. Кроме того теряется информация о структуре органического вещества породы. Искажения в измерениях может внести и то, что технология процесса приготовления препарата не стандартизировано и готовность образца обычно определяется визуально. Проблему представляет так же физические свойства пород, такие например как сильная минерализация или хрупкость угля, в этом случае приходится изучать отражательную способность на той площади поверхности, которую удалось получить. Если правильно выбрать участок, то окружающие дефекты практически не влияют на измерения. Но принципиально количественные величины ошибок, практически не влияют на определение стадии катагенеза.

Образцы изучаются, обычно в условиях обычной воздушной среды, это легко, быстро. Но если необходимо детальное изучение под большим увеличением, применяют иммерсионные среды, обычно это кедровое масло. Оба измерения верны и каждый из них используется, но каждый в своем определенном случае. Преимущества измерений в иммерсионной среде заключаются в том, что они позволяют изучать частицы с малой размерностью, кроме того, повышается резкость, что позволяет более детально диагностировать степень катагенеза.

Дополнительной трудностью при исследованиях является диагностика микрокомпонентов ОВ так как они обычно определяются в проходящем свете. В то время как отражательная способность, очевидно в отраженном. Поэтому. Обычно в процессе исследований комбинируют два метода. То есть попеременно используют проходящий и отраженный свет для изучения одного и того же фрагмента РОВ. Для этого обычно используются двусторонне полированные шлифы. В них после просмотра и определения микрокомпонента в проходящем свете освещение переключается и проводятся замеры в отраженном свете.

Витринит может использоваться не только для определения степени преобразованности органического вещества, но и для определения его отношения к породе. У сингенетичного витринита форма фрагментов обычно удлиненная, расположены частицы параллельно плоскостям напластования и, обычно обладают клеточной структурой. Если же мы имеем дело с частицами витринита округлой, окатанной формы, то скорее всего это переотложенное вещество.

Показатель отражения витринита характеризует стадию метаморфизма угля. В сочетании с мацеральным составом показатель отражения витринита даёт представление о химических и технологических свойствах угля или смеси углей.

Показатель отражения витринита может быть также использован для характеристики плотности угольного вещества. Измерение показателя отражения витринита в смеси углей позволяет идентифицировать компоненты этой смеси и оценить их относительное содержание.

Показатель отражения витринита является одним из основных генетических параметров классификации и кодификации углей (раздел IV). Так, разделение ископаемых углей на виды (бурые, каменные угли и антрациты), установление стадии метаморфизма и класса угля проводят по показателю отражения. Первые цифры кода индивидуального угля представляют собой значение показателя отражения витринита.

В соответствии с ГОСТ 17070-2014 показатель отражения витринита R – это отношение интенсивности светового потока установленной длины волны, отраженного от полированной поверхности мацералов группы витринита (гуминита), к интенсивности светового потока, падающего перпендикулярно на эту поверхность, выраженное в процентах.

Показатели отражения отдельных мацералов группы витринита в исследуемом угле могут существенно отличаться друг от друга, поэтому полученная величина показателя отражения зависит от того, какой именно мацерал был использован для измерения показателя отражения. Измерение проводят на одном или нескольких мацералах группы витринита, в этом случае, представляя результаты, указывают, какие мацералы были использованы для измерений, а также оценивают вклад каждого мацерала в общий результат.

В настоящее время для определения показателя отражения применяют единый стандартный метод, регламентированный в стандарте ИСО 7404-5:2009 и ГОСТ Р 55659-2013 «Методы петрографического анализа углей. Часть 5. Метод определения показателя отражения витринита с помощью микроскопа».

Сущность метода заключается в следующем. Интенсивность света с длиной волны 546 нм, отраженного практически под прямым углом от полированной поверхности мацералов группы витринита, измеренную с помощью электронного фотоумножителя (или аналогичного устройства), сравнивают с измеренной в таких же условиях интенсивностью света, отраженного от эталонов с известным показателем отражения. По своим оптическим свойствам зерна витринита в одном и том же угле немного отличаются друг от друга. Проводят достаточное количество измерений на различных зернах витринита, чтобы полученный результат можно было отнести ко всему углю или угольной смеси.

В качестве эталонов используют оптические стекла, лейкосапфир, горный хрусталь, алмаз с показателями отражения в масляной иммерсии от 0,3 до 7%. Эти показатели должны быть определены в специальных лабораториях или рассчитаны по показателям преломления.

Перед измерением показателя отражения регулируют оптическую си­стему и подготавливают аппаратуру, проверяя ее стабильность. Калибруют прибор, начиная с эталона с высоким показателем отражения. Далее проверяют линейность сигнала фотоумножителя, измеряя показатели отражения еще двух эталонов. Если показывающий прибор дает правильные результаты для трех эталонов, можно считать, что установка откалибрована.

Аншлиф-брикет устанавливают на предметном столике микроскопа так, чтобы его полированная поверхность была параллельна предметному стеклу. На поверхность аншлиф-брикета наносят каплю иммерсионного масла. После предварительного определения цены деления измерительного прибора стандартный образец заменяют на исследуемый аншлиф-брикет. Измерения показателей отражения эталонов проводят до и после исследо­вания образца угля.

Показатель отражения каменных углей и антрацитов измеряют на всех мацералах группы витринита. Исследуемые участки не должны иметь царапин, микрорельефа и минеральных примесей. Размер участка должен быть в два раза больше фотометрируемого поля. На каждом аншлиф-брикете необходимо выполнить от 40 до 100 измерений в зависимости от однород­ности и стадии метаморфизма угля. Число измерений увеличивают с повышением неоднородности витринита и увеличением стадии метаморфизма угля. Для установления показателя отражения угольных смесей осуществляют не менее 500 измерений.

Измерение максимального и минимального показателей отражения витринита в масле

Измерения проводят в линейно поляризованном свете при вращении предметного столика микроскопа.

В начале перемещают столик микроскопа с помощью препаратоводителя до тех пор, пока перекрестие нитей окуляра не сфокусируется на поверхности витринита, пригодной для измерений. Поверхность, предназначенная для измерений, не должна иметь трещин, дефектов полировки, минеральных включений или рельефа и должна находиться на некотором расстоянии от границ мацерала.

После получения выходного сигнала от фотоумножителя, поворачивают столик на 360° со скоростью не более 10 мин -1 . Записывают наибольшее и наименьшее значения показателя отражения, полученные при вращении столика.

Перемещают аншлиф-брикет в направлении с длиной шага 0,5 мм и производят измерения, когда перекрестие попадает на подходящую поверхность витринита. Для того, чтобы быть уверенным, что измерения производятся на подходящем участке витринита, образец можно переместить препаратоводителем на расстояние до 10 мкм. В конце пути образец передвигают в направлении Y, перпендикулярном направлению Х, на следующую линию. Расстояние между линиями составляет не менее 0,5 мм. Продолжают перемещение образца с шагом 0,5 мм в противоположную сторону, производя при этом измерения показателя отражения. Расстояние, на которое передвигают образец в направлении Y, выбирают таким, чтобы измерения распределились равномерно по всей поверхности аншлиф-брикета. Измерения показателя отражения витринита пробы продолжают до тех пор, пока не будет получено требуемое число результатов измерений (табл. 9.5).

Максимальный и минимальный показатели отражения (R o,max и R o,min) вычисляют как среднеарифметические значения максимальных и минимальных показаний прибора, соответственно.

Измерение произвольного показателя отражения витринита в масле

Измерения показателя отражения производят равномерно по всей поверхности препарата. Аншлиф-брикет перемешают в горизонтальной плоскости в направлении Х, причем длина шага равна 0,5 мм. Измерение производят, когда перекрестие окуляра попадает на подходящую поверхность витринита. Затем брикет перемещают на один шаг (0,5 мм) в направлении Y и снова двигают его по оси Х в обратном направлении. Измерения показателя отражения витринита пробы продолжают до тех пор, пока не будет получено требуемое число результатов измерений (табл. 9.5).

Таблица 9.5 – Максимально допустимые расхождения между результатами определения показателей отражения витринита

Измерения проводят в неполяризованном свете без вращения предметного столика микроскопа. Произвольный показатель отражения (R o,r) вычисляют как среднеарифметическое всех измерений.

Измерение показателей отражения в воздухе

Определения максимального, минимального и произвольного показателей отражения в воздухе (R а,max, R а,min и R а,r) допускается проводить для предварительной оценки стадий метаморфизма. Эти измерения проще выполнить, особенно в полевых условиях. Однако, замеры в иммерсии дают более точные данные, так как проводятся при больших увеличениях.

Измерения в воздухе проводят аналогично измерениям в иммерсионном масле при более низких значениях апертурной диафрагмы, напряжения осветителя и рабочего напряжения фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

На исследуемом аншлиф-брикете необходимо выполнить 20-30 измерений, на аншлиф-штуфе – 10 и более.

Определение анизотропии отражения витринита

В качестве дополнительного параметра определяют показатель анизотропии отражения витринита (A R). В соответствии с ГОСТ 17070-87 анизотропия отражения витринита – это различие значений показателя отражения витринита в зависимости от его ориентирования по отношению к напластованию, определяемое в установленных стандартом условиях. Антрациты характеризуются более высокими значениями оптической анизотропии, чем каменные угли. Поэтому показатель анизотропии отражения витринита используется при классификации антрацитов на подтипы (раздел IV).

Показатель анизотропии отражения витринита (A R) вычисляют по формуле:

A R = 100·(R o,max - R o,min) / R o,r ,%. (9.6)

Рассчитывать показатель анизотропии отражения следует по результатам измерения показателей отражения витринита в аншлиф-штуфах.

Значения показателя отражения записывают, округляя до второго десятичного знака.

В протоколе испытаний указывают число измерений, а также приводят сведения об идентификации мацералов группы витринита, на которых проводили измерения.

Результаты определения отдельных значений произвольных показателей отражения витринита в аншлиф-брикете представляют в виде таблицы, в которой все данные распределяют по интервалам показателя отражения витринита с диапазоном 0,05% или 0,10%. Определяют частоту (%) значе­ний R o,r попадающих в тот или иной интервал. Из данных такой таблицы можно сделать несколько выводов и рассчитать параметры классификации и кодификации углей (раздел IV):

Определить среднее значение произвольного показателя отражения в иммерсии R o,r для характеристики стадии метаморфизма и класса угля по ГОСТ 25543-2013;

Определить стандартное отклонение (σ) по известной в математиче­ской статистике формуле; эта величина отражает неоднородность изучаемых проб; в угольных смесях колеблется в широких пределах;

Построить рефлектограмму (гистограмму) распределения значений показателя отражения витринита: на ось абсцисс нанести значения R o,r с интервалом 0,05% или 0,10%, а на ось ординат - частоту измерений (%), относящихся к каждому интервалу.

Тип рефлектограмм и величина стандартных отклонений относятся к параметрам кодификации углей (раздел IV).

Расхождения между результатами двух параллельных определений не должны превышать значений, указанных в табл. 9.5.

Показатель отражения витринита увеличивается по мере изменения степени углефикации от бурых углей до антрацитов. Показатель отражения в масле (R o,r) изменяется от 0,1 до 6,0%, в воздухе (R а,r) – от 5,5 до 15% и более. Это можно объяснить следующим.

В соответствии с теоретическими представлениями интенсивность отраженного пучка света в видимой части спектра прямо пропорциональна количеству свободных электронов, которые, поглощая энергию падающего пучка света, переходят в возбужденное состояние. Количество свободных электронов, определяющих интенсивность отражения, сравнительно невелико и связано преимущественно с конден­сированным углеродным скелетом (углеродными сетками).

С повышением степени углефикации углей количество таких углеродных структур увеличивается, и отражательная способность витринита возрас­тает. Одновременно увеличивается ориентация этих углеродных структур, в основном, вдоль напластования, что приводит к определенной ориентации электронного поля. При общем повышении показателя отражения со ста­дией метаморфизма одновременно возрастает анизотропия оптических и механических свойств углей.

Таким образом, показатель отражения витринита является внешним отражением глубоких молекулярных превращений органического вещества исходного растительного материала в условиях его накопления и далее в процессах торфообразования, диагенеза и метаморфизма.