Методы исследования электрофизических и структурных характеристик ископаемых углей

Abstract

Цель исследования. Обосновать критерии и параметры прогноза выбросоопасности угольного пласта в условиях его разработки на больших глубинах, используя неинвазивные методы исследования. Методы. Импедансная спектроскопия, малоугловое рассеяние нейтронов, рамановская спектроскопия и низкотемпературная адсорбции азота использовались при изучении транспортных и структурных характеристик углей различной степени углефикации. В первую очередь, уделено внимание методу импедансной спектроскопии, с помощью которого обнаружены особенности процессов диффузии и электропроводности в углях ранних стадий метаморфизма при рассмотрении в широком диапазоне частот от 500 Гц до 1,5 МГц. Результаты. Электрофизические характеристики угольных образцов заметно меняются при переходе от одного образца к другому. Наиболее существенно изменяются транспортные свойства образцов марки ДГ при переходе от “спокойной” зоны угольного пласта к зоне геологического нарушения, которое, согласно рамановской спектроскопии, происходило по механизму хрупкой деформации. Как следует из импедансной спектроскопии, структурная организация угля в образце из тектонического нарушения отличается от иерархической. Ее можно характеризовать как массовый фрактал. Научная новизна. Исследована чувствительность применяемых методов к изменению физических характеристик тектонически нарушенных углей. Наиболее чувствительным методом для анализа тектонических нарушений оказался метод рамановской спектроскопии, позволяющий проследить характеристики типа деформаций (пластические или упругие) в нарушенных зонах. Импедансная спектроскопия позволяет по измеренным значениям электропроводности в широком диапазоне частот получить представление о транспортных свойствах флюидов в поровом пространстве углей в спокойных и тектонически нарушенных зонах угольного пласта. Практическая значимость. Результаты исследования демонстрируют возможность диагностики транспортных свойств углей по измерениям их электрофизических свойств, а также использования неинвазивных методов анализа для прогноза выбросоопасных зон угольного пласта при добыче ископаемого угля на больших глубинах.

Мета дослідження. Обґрунтувати критерії та параметри прогнозу викидонебезпечності вугільного пласта в умовах його розробки на великих глибинах, використовуючи неінвазивні методи дослідження. Методи. Імпедансна спектроскопія, малокутове розсіяння нейтронів, рамановская спектроскопія і низькотемпературна адсорбції азоту використовувалися при вивченні транспортних і структурних характеристик вугілля різного ступеня вуглефікації. В першу чергу, приділено увагу методу імпедансної спектроскопії, за допомогою якого виявлені особливості процесів дифузії та електропровідності у вугіллі ранніх стадій метаморфізму при розгляді в широкому діапазоні частот від 500 Гц до 1,5 МГц. Результати. Електрофізичні характеристики вугільних зразків помітно змінюються при переході від одного зразка до іншого. Найбільш істотно змінюються транспортні властивості зразків марки ДГ при переході від "спокійної" зони вугільного пласта до зоні геологічного порушення, яке, згідно раманівської спектроскопії, відбувалося за механізмом крихкої деформації. Як випливає з імпедансної спектроскопії, структурна організація вугілля в зразку з тектонічного порушення відрізняється від ієрархічної. Її можна характеризувати як масовий фрактал. Наукова новизна. Досліджено чутливість методів, що застосовуються, до зміни фізичних характеристик тектонічно порушеного вугілля. Найбільш чутливим методом для аналізу тектонічних порушень виявився метод раманівської спектроскопії, що дозволяє простежити характеристики типу деформацій (пластичні або пружні) в порушених зонах. Імпедансна спектроскопія дозволяє за виміряними значеннями електропровідності в широкому діапазоні частот отримати уявлення про транспортні властивості флюїдів у поровому просторі вугілля в спокійних і тектонічно порушених зонах вугільного пласта. Практична значимість. Результати дослідження демонструють можливість діагностики транспортних властивостей вугілля за вимірами їх електрофізичних властивостей, а також можливість використання неінвазивних методів аналізу для прогнозу викидонебезпечних зон вугільного пласта при видобутку викопного вугілля на великих глибинах.

Purpose of the research is justification of the criteria and parameters of the forecast of outburst hazard in a coal seam with using non-invasive methods of testing in the course of deep mining. The results of testing of coals by the methods of impedance spectroscopy, small-angle neutron scattering, Raman spectroscopy and low-temperature nitrogen adsorption are considered that are successfully applied to the study of transport and structure characteristics of coals of varied degree of coalification at Institute for the Physics of Mining Processes. First of all, an attention is paid to impedance spectroscopy that allowed fixation of specific features of diffusion and electric conductivity in coals of early stages of metamorphism in a wide frequency range from 500 Hz to 1.5 МHz. A complex hierarchical structure of coal substance is a component determining the conditions of formation of accident situations in coal mines. Physical methods of testing listed above are now successfully applied to the study of structural features and the tendency of coal to sudden methane outbursts. Findings. Electrophysical characteristics of coal samples differ substantially. The transport properties of the coal of longflame-gas rank are the most essentially modified when passing from a “calm” zone of the coal seam to the zone of geological disturbance that occurs by the mechanism of brittle deformation according to Raman spectroscopy. By the data of impedance spectroscopy, the structural organization of a coal sample taken in the zone of tectonic disturbance differs from the hierarchical one and can be interpreted as a mass fractal. Originality. The susceptibility of the applied methods to variations of the physical properties of coal in geological disturbances is analyzed. The most susceptible method is Raman spectroscopy when speaking about the analysis of tectonic disturbances and fixation of the characteristics of the type of deformation (brittle or ductile) in the disturbance. Impedance spectroscopy allows making conclusions about the transport properties of fluids in the pore space of coal in calm and disturbed zones of a coal seam by the measured electric conductivity in a wide frequency range. Practical implications. The results of the research demonstrate a possibility of diagnostics of the transport properties of coals by the data about their electrophysical properties and possible application of non-invasive methods of analysis to the forecast of outburst-prone zones of coal seams in the course of deep mining of fossil coal.