Исследование иерархической структуры углей донецкого бассейна методом малоуглового рассеяния нейтронов
Целью исследования является определение фрактальных характеристик иерархической структуры ископаемых углей с помощью такого неразрушающего метода, как малоугловое рассеяние тепловых нейтронов, позволяющего изучать структуру в объеме образцов. В работе определены фрактальные размерности и получены...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Физико-технические проблемы горного производства |
|---|---|
| Datum: | 2018 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2018
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/161915 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Исследование иерархической структуры углей донецкого бассейна методом малоуглового рассеяния нейтронов / Т.В. Василенко, А.К. Кириллов, В.В. Соболев, А.С. Дорошкевич, Е.А. Пронский // Физико-технические проблемы горного производства: Зб. наук. пр. — 2018. — Вип. 20. — С. 7-19. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-161915 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Василенко, Т.А. Кириллов, А.К. Соболев, В.В. Дорошкевич, А.С. Пронский, Е.А. 2019-12-27T16:54:55Z 2019-12-27T16:54:55Z 2018 Исследование иерархической структуры углей донецкого бассейна методом малоуглового рассеяния нейтронов / Т.В. Василенко, А.К. Кириллов, В.В. Соболев, А.С. Дорошкевич, Е.А. Пронский // Физико-технические проблемы горного производства: Зб. наук. пр. — 2018. — Вип. 20. — С. 7-19. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. XXXX-0016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/161915 539.26: 539.971 Целью исследования является определение фрактальных характеристик иерархической структуры ископаемых углей с помощью такого неразрушающего метода, как малоугловое рассеяние тепловых нейтронов, позволяющего изучать структуру в объеме образцов. В работе определены фрактальные размерности и получены их корреляционные связи с удельной поверхностью порового пространства, степенью углефикации, глубиной залегания и склонностью пластов к выбросам угля и газа для углей Донецкого угольного бассейна. Полученные фрактальные размерности и удельные поверхности дают представление о полной пористости в отличие от метода низкотемпературной адсорбции азота, характеризующего только открытую пористость. Впервые показано, что структура углей выбросоопасных пластов характеризуется поверхностным фракталом Df с размерностью, близкой к значениям 2,9 – 3,0 или массовым фракталом, который образован конгломератами различных минеральных включений, содержащих железо и серу. В угрожаемых пластах структура угля характеризуется более «гладкими» поверхностями порового пространства при значениях Df < 2,9 и повышенным содержанием кремния и алюминия. Метою дослідження є визначення фрактальних характеристик ієрархічної структури викопного вугілля за допомогою такого неруйнівного методу, як малокутове розсіювання теплових нейтронів, що дозволяє вивчати структуру в об'ємі зразків. В роботі визначені фрактальні розмірності і отримані їх кореляційні зв'язки з питомою поверхнею порового простору, ступенем вуглефікації, глибиною залягання і схильністю пластів до викидів вугілля і газу для вугілля Донецького вугільного басейну. Отримані фрактальні розмірності і питомі поверхні дають уявлення про повну пористість на відміну від методу низькотемпературної адсорбції азоту, що характеризує тільки відкриту пористість. Вперше показано, що структура вугілля викидонебезпечних пластів характеризується поверхневим фракталом Df з розмірністю, близькою до значень 2,9 – 3,0 або масовим фракталом, який утворений конгломератами різних мінеральних включень, що містять залізо і сірку. У загрозливих пластах структура вугілля характеризується більш «гладкими» поверхнями порового простору при значеннях Df < 2,9 і підвищеним вмістом кремнію і алюмінію. The investigation of fractal structures in the physics of condensed matter is an urgent task. An example of a geometric fractal is the complex hierarchical organization of the pore space of fossil coals, represented as fractal clusters containing elements of different scales. The determination of the fractal dimension of such objects makes it possible to explain the dependence of the physical and mechanical characteristics of the coals under external influences. The aim of the study is the determination of the fractal characteristics of hierarchical structure of fossil coals by means of a non-destructive method such as small-angle scattering of thermal neutrons, which makes it possible to study the structure in the volume of samples. Fractal dimensions and their correlation links with the specific surface of the pore space, the degree of coalification, the depth of coal seam and with the propensity of the seam to coal and gas outbursts for coals of the Donetsk coal basin are determined. The resulting fractal dimensions and specific surfaces gives the total porosity, in contrast to the method of low-temperature adsorption of nitrogen, which characterizes open porosity only. The photomicrographs obtained with the scanning electron microscope made it possible to conclude that the structure of the coal of the outburst hazardous layers is characterized by a surface fractal Df with a dimension close to 2,9–3,0 or by the mass fractal that is formed by conglomerates of various mineral inclusions containing iron and sulfur. In threatened seams, the coal structure is characterized by more "smooth" pore space surfaces at Df < 2,9 and by the higher content of silicon and aluminum. Авторы выражают искреннюю благодарность А.И. Куклину и А.Х. Исламову за техническое обеспечение экспериментов по малоугловому рассеянию нейтронов и за обсуждение результатов исследования. ru Інститут фізики гірничих процесів НАН України Физико-технические проблемы горного производства Физика угля и горных пород Исследование иерархической структуры углей донецкого бассейна методом малоуглового рассеяния нейтронов Дослідження ієрархічної структури вугілля донецького басейну методом малокутового розсіювання нейтронів Investigation of the hierarchical structure of donets field coals by the small-angle scattering of neutrons Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Исследование иерархической структуры углей донецкого бассейна методом малоуглового рассеяния нейтронов |
| spellingShingle |
Исследование иерархической структуры углей донецкого бассейна методом малоуглового рассеяния нейтронов Василенко, Т.А. Кириллов, А.К. Соболев, В.В. Дорошкевич, А.С. Пронский, Е.А. Физика угля и горных пород |
| title_short |
Исследование иерархической структуры углей донецкого бассейна методом малоуглового рассеяния нейтронов |
| title_full |
Исследование иерархической структуры углей донецкого бассейна методом малоуглового рассеяния нейтронов |
| title_fullStr |
Исследование иерархической структуры углей донецкого бассейна методом малоуглового рассеяния нейтронов |
| title_full_unstemmed |
Исследование иерархической структуры углей донецкого бассейна методом малоуглового рассеяния нейтронов |
| title_sort |
исследование иерархической структуры углей донецкого бассейна методом малоуглового рассеяния нейтронов |
| author |
Василенко, Т.А. Кириллов, А.К. Соболев, В.В. Дорошкевич, А.С. Пронский, Е.А. |
| author_facet |
Василенко, Т.А. Кириллов, А.К. Соболев, В.В. Дорошкевич, А.С. Пронский, Е.А. |
| topic |
Физика угля и горных пород |
| topic_facet |
Физика угля и горных пород |
| publishDate |
2018 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физико-технические проблемы горного производства |
| publisher |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Дослідження ієрархічної структури вугілля донецького басейну методом малокутового розсіювання нейтронів Investigation of the hierarchical structure of donets field coals by the small-angle scattering of neutrons |
| description |
Целью исследования является определение фрактальных характеристик иерархической структуры ископаемых углей с помощью такого неразрушающего метода, как малоугловое рассеяние тепловых нейтронов, позволяющего изучать структуру в объеме образцов.
В работе определены фрактальные размерности и получены их корреляционные связи с удельной поверхностью порового пространства, степенью углефикации, глубиной залегания и склонностью пластов к выбросам угля и газа для углей Донецкого угольного бассейна. Полученные фрактальные размерности и удельные поверхности дают представление о полной пористости в отличие от метода низкотемпературной адсорбции азота, характеризующего только открытую пористость.
Впервые показано, что структура углей выбросоопасных пластов характеризуется поверхностным фракталом Df с размерностью, близкой к значениям 2,9 – 3,0 или массовым фракталом, который образован конгломератами различных минеральных включений, содержащих железо и серу. В угрожаемых пластах структура угля характеризуется более «гладкими» поверхностями порового пространства при значениях Df < 2,9 и повышенным содержанием кремния и алюминия.
Метою дослідження є визначення фрактальних характеристик ієрархічної структури викопного вугілля за допомогою такого неруйнівного методу, як малокутове розсіювання теплових нейтронів, що дозволяє вивчати структуру в об'ємі зразків.
В роботі визначені фрактальні розмірності і отримані їх кореляційні зв'язки з питомою поверхнею порового простору, ступенем вуглефікації, глибиною залягання і схильністю пластів до викидів вугілля і газу для вугілля Донецького вугільного басейну. Отримані фрактальні розмірності і питомі поверхні дають уявлення про повну пористість на відміну від методу низькотемпературної адсорбції азоту, що характеризує тільки відкриту пористість.
Вперше показано, що структура вугілля викидонебезпечних пластів характеризується поверхневим фракталом Df з розмірністю, близькою до значень 2,9 – 3,0 або масовим фракталом, який утворений конгломератами різних мінеральних включень, що містять залізо і сірку. У загрозливих пластах структура вугілля характеризується більш «гладкими» поверхнями порового простору при значеннях Df < 2,9 і підвищеним вмістом кремнію і алюмінію.
The investigation of fractal structures in the physics of condensed matter is an urgent task. An example of a geometric fractal is the complex hierarchical organization of the pore space of fossil coals, represented as fractal clusters containing elements of different scales. The determination of the fractal dimension of such objects makes it possible to explain the dependence of the physical and mechanical characteristics of the coals under external influences.
The aim of the study is the determination of the fractal characteristics of hierarchical structure of fossil coals by means of a non-destructive method such as small-angle scattering of thermal neutrons, which makes it possible to study the structure in the volume of samples.
Fractal dimensions and their correlation links with the specific surface of the pore space, the degree of coalification, the depth of coal seam and with the propensity of the seam to coal and gas outbursts for coals of the Donetsk coal basin are determined. The resulting fractal dimensions and specific surfaces gives the total porosity, in contrast to the method of low-temperature adsorption of nitrogen, which characterizes open porosity only.
The photomicrographs obtained with the scanning electron microscope made it possible to conclude that the structure of the coal of the outburst hazardous layers is characterized by a surface fractal Df with a dimension close to 2,9–3,0 or by the mass fractal that is formed by conglomerates of various mineral inclusions containing iron and sulfur. In threatened seams, the coal structure is characterized by more "smooth" pore space surfaces at Df < 2,9 and by the higher content of silicon and aluminum.
|
| issn |
XXXX-0016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/161915 |
| citation_txt |
Исследование иерархической структуры углей донецкого бассейна методом малоуглового рассеяния нейтронов / Т.В. Василенко, А.К. Кириллов, В.В. Соболев, А.С. Дорошкевич, Е.А. Пронский // Физико-технические проблемы горного производства: Зб. наук. пр. — 2018. — Вип. 20. — С. 7-19. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT vasilenkota issledovanieierarhičeskoistrukturyugleidoneckogobasseinametodommalouglovogorasseâniâneitronov AT kirillovak issledovanieierarhičeskoistrukturyugleidoneckogobasseinametodommalouglovogorasseâniâneitronov AT sobolevvv issledovanieierarhičeskoistrukturyugleidoneckogobasseinametodommalouglovogorasseâniâneitronov AT doroškevičas issledovanieierarhičeskoistrukturyugleidoneckogobasseinametodommalouglovogorasseâniâneitronov AT pronskiiea issledovanieierarhičeskoistrukturyugleidoneckogobasseinametodommalouglovogorasseâniâneitronov AT vasilenkota doslídžennâíêrarhíčnoístrukturivugíllâdonecʹkogobaseinumetodommalokutovogorozsíûvannâneitronív AT kirillovak doslídžennâíêrarhíčnoístrukturivugíllâdonecʹkogobaseinumetodommalokutovogorozsíûvannâneitronív AT sobolevvv doslídžennâíêrarhíčnoístrukturivugíllâdonecʹkogobaseinumetodommalokutovogorozsíûvannâneitronív AT doroškevičas doslídžennâíêrarhíčnoístrukturivugíllâdonecʹkogobaseinumetodommalokutovogorozsíûvannâneitronív AT pronskiiea doslídžennâíêrarhíčnoístrukturivugíllâdonecʹkogobaseinumetodommalokutovogorozsíûvannâneitronív AT vasilenkota investigationofthehierarchicalstructureofdonetsfieldcoalsbythesmallanglescatteringofneutrons AT kirillovak investigationofthehierarchicalstructureofdonetsfieldcoalsbythesmallanglescatteringofneutrons AT sobolevvv investigationofthehierarchicalstructureofdonetsfieldcoalsbythesmallanglescatteringofneutrons AT doroškevičas investigationofthehierarchicalstructureofdonetsfieldcoalsbythesmallanglescatteringofneutrons AT pronskiiea investigationofthehierarchicalstructureofdonetsfieldcoalsbythesmallanglescatteringofneutrons |
| first_indexed |
2025-11-27T08:44:30Z |
| last_indexed |
2025-11-27T08:44:30Z |
| _version_ |
1850809940516536320 |
| fulltext |
Физико-технические проблемы горного производства 2018, вып. 20
7
Раздел 1. Физика угля и горных пород
УДК 539.26: 539.971
Т.А. Василенко1, А.К. Кириллов1, В.В. Соболев2, А.С. Дорошкевич3,
Е.А. Пронский1
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ УГЛЕЙ
ДОНЕЦКОГО БАССЕЙНА МЕТОДОМ МАЛОУГЛОВОГО РАССЕЯНИЯ
НЕЙТРОНОВ
1 Институт физики горных процессов НАН Украины,
49600, г. Днепр ул. Симферопольская, 2-а.
2 Национальный технический университет «Днепровская политехника»,
49005 г. Днепр, пр. Дмитрия Яворницкого, 19
3 Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины,
03680, Киев, пр. Науки, 46
Целью исследования является определение фрактальных характеристик
иерархической структуры ископаемых углей с помощью такого неразруша-
ющего метода, как малоугловое рассеяние тепловых нейтронов, позволяю-
щего изучать структуру в объеме образцов.
В работе определены фрактальные размерности и получены их корреляцион-
ные связи с удельной поверхностью порового пространства, степенью угле-
фикации, глубиной залегания и склонностью пластов к выбросам угля и газа
для углей Донецкого угольного бассейна. Полученные фрактальные размерно-
сти и удельные поверхности дают представление о полной пористости в от-
личие от метода низкотемпературной адсорбции азота, характеризующего
только открытую пористость.
Впервые показано, что структура углей выбросоопасных пластов характе-
ризуется поверхностным фракталом Df с размерностью, близкой к значе-
ниям 2,9 – 3,0 или массовым фракталом, который образован конгломера-
тами различных минеральных включений, содержащих железо и серу. В угро-
жаемых пластах структура угля характеризуется более «гладкими» поверх-
ностями порового пространства при значениях Df < 2,9 и повышенным со-
держанием кремния и алюминия.
Ключевые слова: выбросоопасный пласт, закрытая пористость, малоугловое рассе-
яние, минеральные включения, нейтрон, уголь, удельная поверхность, фрактальная
размерность.
Физико-технические проблемы горного производства 2018, вып. 20
8
Введение
Иерархическая структура гетерогенной среды предполагает соподчинен-
ность различных уровней организации вещества, оказывающих взаимное вли-
яние при внешнем воздействии на среду, а также существенно изменяет тео-
ретические представления о процессах переноса массы и зарядов, развитых
для однородной среды [1]. Описание движения частицы в средах с фракталь-
ной организацией требует привлечения уравнений переноса с дробными про-
изводными [2].
Сложная структура пористых сред может быть описана в представлении
фрактальной геометрии. В соответствии с одним из свойств фрактального аг-
регата, средняя массовая плотность вещества в сфере радиуса R равна:
𝜌(𝑅) = 𝜌0(
𝑟0
𝑅⁄ )
3−𝐷f
,
где: 𝜌0 – плотность материала частиц, составляющих агрегат, 𝑟0 – средний ра-
диус частиц, образовавших агрегат, Df – фрактальная размерность агрегата.
Размерность может быть дробной величиной, если получившаяся структура
окажется фракталом – самоподобным множеством с нецелой размерностью.
Если для трехмерного пространства, определяемая экспериментально фрак-
тальная размерность находится в пределах 1 < Df < 2, то формируется цепо-
чечная разветвленная структура. Если ее значение попадает в диапазон
2 < Df < 3, то образуется пористый ажурный каркас. Величина фрактальной
размерности Df ≅ 2, указывает на образование слоистых структур [3].
Исследование фрактальных структур в физике конденсированных сред яв-
ляется актуальной задачей. Основные представления о фрактальных класте-
рах получены при моделировании их образования методом Монте-Карло [4].
Одним из примеров такого фрактала является агломерат полидисперсных
сфер, образованный несколькими уровнями линейных масштабов [5]. Пред-
ставление о фрактальности пористого пространства ископаемых углей позво-
лило объяснить изменение электропроводности образцов при их газонасыще-
нии [6].
Постановка задачи исследования
При исследовании таких гетерогенных пористых объектов, как ископае-
мые угли, необходимо применение неразрушающих методов, позволяющих
получать характеристики среды не только на основе данных о поверхности,
но и из всего объема образца. Получение характеристик интерфейсов (гра-
ниц) порового пространства и распределения пор по размерам возможно с по-
мощью таких методов, как рентгенография и нейтронное рассеяние. Исследо-
вания такого рода выполнены для углей из угольных бассейнов США,
Польши, Канады, Китая и Австралии [7-11].
Физико-технические проблемы горного производства 2018, вып. 20
9
Ранее мы исследовали фрактальные характеристики иерархической струк-
туры ископаемых углей Донецкого бассейна методами импедансной спектро-
скопии, атомной силовой микроскопии, одноосного нагружения высоким
давлением до 2 ГПа, и малоуглового рентгеновского рассеяния. Анализиро-
вались отдельные образцы, принадлежащие различным стадиям метамор-
физма [12–15].
Цель нашего исследования – определить фрактальные характеристики
иерархической структуры ископаемых углей с помощью малоуглового рассе-
яния тепловых нейтронов.
Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (МУРР) и нейтронов (МУРН)
позволяет оценить фрактальную размерность из наклона кривой рассеяния,
если выполняется степенная зависимость:
I q A q B
, (1)
где I(q) – интенсивность рассеяния при значении модуля вектора рассеяния
q= 4πsin θ/λ, 2θ – угол рассеяния. Постоянные А, B и определяют из графика,
построенного в двойных логарифмических координатах для зависимости I(q):
g I g q g A
(2)
Тангенс угла наклона связан с фрактальной размерностью: 1) если < 3,
то = Dm; 2) если 3< <4, то = 6–Ds. Первый вариант соответствует струк-
турной организации в виде массового фрактала, второй вариант – поверхност-
ному фракталу [16, 17] или степенной зависимости распределения объектов
по размерам [9, 16] dN(r)/dr ~ r-τ, где τ = Ds+1.
1. Условия проведения эксперимента
Измерения рассеяния нейтронов проводилось на малоугловом спектро-
метре YuMO импульсного реактора IBR-2 Объединенного института ядерных
исследований (ОИЯИ) в г. Дубна. Использовали образцы углей из ряда шахт
Донбасса.
Особенностью спектрометра малоуглового рассеяния нейтронов на ИБР-2
является аксиально-симметричная геометрия коллиматоров и детекторов
нейтронов с центральным отверстием, а также использование ванадиевых
стандартов. Аксиально-симметричная геометрия существенно упрощает учет
функции разрешения установки. Наличие центрального отверстия в детекто-
рах обеспечивает возможность одновременных измерений с использованием
сразу трех детекторов, что позволяет при одном измерении перекрыть широ-
кий диапазон значений векторов рассеяния. Ванадиевые стандарты позво-
ляют с высокой точностью извлекать значение дифференциального сечения
рассеяния в абсолютных единицах.
Физико-технические проблемы горного производства 2018, вып. 20
10
В предположении изотропного распределения изучаемых неоднородно-
стей выражение для дифференциального сечения рассеяния нейтронов опи-
сывается формулой Дебая:
sin
VV
q r rd
r r drdr
d q r r
, (3)
где q – волновой вектор рассеяния. Из выражения (3) следуют следующие
предельные случаи. Если неоднородности имеют характерный размер L, то
для qL << 1 sin(qL)/qL ≈ 1, и сечение рассеяния оказывается пропорциональ-
ным 2V2, т.е. не зависящим ни от формы, ни от внутреннего строения изуча-
емого объекта. При qL >> 1 осциллирующий характер функции sin(x)/x при-
водит к быстрому затуханию сечения рассеяния с ростом q, которое в пре-
дельном случае пропорционально (qL)-4. Наиболее информативной является
область qL ~ 1, анализ которой позволяет получить данные о характерных
размерах, форме и молекулярной массе изучаемых объектах. Малоугловому
рассеянию соответствует предельный случай qL >> 1 [18].
Образцы измельчались до фракций размером 0,1 – 0,5 мм и помещались в
линейной кассете спектрометра малоуглового рассеяния с круговыми ячей-
ками, имеющими диаметр 12 мм. Внутри ячеек образцы фиксировались лен-
той скотч. Регистрация интенсивности рассеянных нейтронов для каждого об-
раза проводилась в течение 20 мин.
Получены кривые рассеяния нейтронов в интервале векторов рассеяния q =
(0,051 – 1,36 нм-1) для 27 образов углей различных стадий метаморфизма в
каждой из партий, доставленных из шахт Центрального Донбасса. Первая
партия содержала угли ранних стадий метаморфизма Г, ДГ, Д и Ж. Вторая
(ГП «Макеевуголь») и третья (ГП «Артемуголь») партии включала в основ-
ном угли К, ОС и Т, а четвертая – А (антрациты) ГП «Торезантрацит».
При построении кривых рассеяний данные от трех детекторов приводи-
лись в единую шкалу по оси ординат и строились кривые рассеяния в коор-
динатах lg(I) от lg(q) (рис. 1), где I = (dσ/dΩ)/V – поток рассеянных нейтронов
(см-1), q – модуль вектора рассеяния (нм-1), V – объем образца.
2. Основные результаты и их обсуждение
Аппроксимация кривых рассеяния степенными зависимостями в виде (1)
позволила сделать заключение о наличии фрактальности поверхности пор или
фрактального распределения пор по размерам для углей средних и поздних
стадий метаморфизма. Получены статистические зависимости, позволяющие
проследить изменение показателя степени в экспериментальных кривых
рассеяния нейтронов от характеристик углей.
Физико-технические проблемы горного производства 2018, вып. 20
11
Рассматривались зависимости таких параметров, как полная и закрытая по-
ристость, глубина залегания пласта, удельная поверхность пор, стадии мета-
морфизма исследованных углей от поверхностной фрактальной размерности
Df = (6–) [21, 22].
Рис. 1. Экспериментальная кривая рассеяния нейтронов для образца угля
марки Т (ГП «Макеевуголь» ш. им. С.М. Кирова, пласт HB
10), построенная в
двойных логарифмически координатах
Получено, что для углей ранних стадий метаморфизма (ДГ и Г) показатель
степени не превышает значения три. То есть, эти угли можно рассматривать
как массовые фракталы. К массовым фракталам следует отнести также от-
дельные образцы углей марок Ж и К. Из двух антрацитов один из них также
можно рассматривать как массовый фрактал.
Данные, полученные из изотерм низкотемпературной адсорбции азота, не
дают полного представления о распределении пор и удельной поверхности
порового пространства, поскольку относятся только к открытым порам. Ме-
тод МУРН позволяет изучать полную пористость и определить удельную по-
верхность всех пор, поскольку кривая рассеяния I(q) получается в результате
взаимодействия нейтронов с веществом во всем объеме образца.
Для удельной поверхности пор, имеющих линейный масштаб r c учетом
фрактальности их поверхности, выполняется равенство [7, 9]
2 2/ (0) / 2fD
fS r V I r F D
,
Физико-технические проблемы горного производства 2018, вып. 20
12
где I(0) – коэффициент в выражении для интенсивности рассеяния
I(q) = I(0)q-, F(Df) = Г(5–Df)·sin[(3–Df)/2], Г – гамма-функция, V – объем об-
разца, = solid – pore – разность между плотностями длины рассеяния
нейтронов (SLD – scattering length density) для твердой фазы образца и пор
[19]. Для пустых пор = solid. Для углерода = 5,7·1010 см-2, а для ископае-
мых углей изменяется в пределах (2–3,5)·1010 см-2.
После проведения необходимых вычислений получены значения удельной
поверхности. Они соответствуют минимальным значениям rmin, связанным с
максимальным значениям вектора рассеяния qmax, для которого выполняется
степенная зависимость интенсивности рассеяния I(qmax), равенством
rmin=2/qmax (рис. 1).
Представляет интерес получить зависимость фрактальной размерности от
некоторых параметров углей. При дальнейшем анализе из всего набора иссле-
дованных углей рассматривались только угли с поверхностной фрактальной
размерностью, для которых показатель степени кривой рассеяния заключен
в пределах 3 < < 4.
Зависимость между Df и удельной поверхностью А (м2/г), вычисленной из
измерений МУРН (рис. 2), с высокой точностью (R2 = 0,938) аппроксимиру-
ется методом наименьших квадратов (МНК) логарифмической зависимостью
вида Df = a·lg(bA) с коэффициентами а = 0,256 и b = 1,18·1011. Подобная зави-
симость между Df и удельной поверхностью была получена для углей из сорб-
ционных экспериментов авторами работы [20].
Рис. 2. Связь поверхностной фрактальной размерности с удельной поверхно-
стью углей по данным МУРН. На врезке для сравнения приводится рисунок
из статьи [20]
Физико-технические проблемы горного производства 2018, вып. 20
13
Анализ принадлежности каждой точки на графике к типу углей показал,
что три точки, лежащие в правом верхнем углу, относятся к углям марки ОС
из выбросоопасных пластов. Точка в нижнем левом углу соответствует антра-
циту. Выше расположены две точки для углей ОС (невыбросоопасные –
ш. Ясиновская-Глубокая). Показательны данные для углей ОС из ш. им. А.И.
Гаевого. Первый из них – выбросоопасный пласт k3, имеет наибольшее значе-
ние удельной поверхности А = 3,6 м2/г, в то время как, точка для угля из угро-
жаемого пласта k3 занимает среднее положение (Df = 2,84, A = 0,95 м2/г).
Таким образом, наблюдается зависимость удельной поверхности пор от
фрактальной размерности. Угли из выбросоопасных пластов имеют более вы-
сокие значения Df, чем угли из пластов, отнесенных к угрожаемым. Действи-
тельно, по данным МУРН без учета углей, в которых структура характеризу-
ется массовым фракталом, получены средние значения Df = 2,892 и Df = 2,74,
где последнее значение относится к угрожаемым пластам.
Имеется различие и в удельных поверхностях углей для указанных катего-
рий пластов. При вычислениях средних значений S/V воспользуемся данными
МУРН. Получено: S/V = 2,68·104 см2/cм3 (n = 6) для выбросоопасных и
S/V = 9,77·103 см2/cм3 (n = 8) для невыбросоопасных пластов. Можно утвер-
ждать, что удельная поверхность пор в углях из выбросоопасных пластов бо-
лее чем в 2,5 раз превосходит S/V в углях из угрожаемых пластов. Достаточно
большая статистическая выборка исследуемых углей позволила получить за-
висимость фрактальной размерности от глубины залегания угольного пласта.
Вследствие большой вариативности физико-механических свойств углей не
удалось получить статистически значимую зависимость для всех образцов.
Наиболее показательной является такая зависимость для углей марки ОС
(рис. 3). Максимум распределения характеризует выбросоопасные пласты,
содержащие угли с фрактальной размерностью Df > 2,8. Еще более показа-
тельна зависимость Df(Н) для углей, прошедших метаморфизацию в одинако-
вых горно-геологических условиях (ш. им. А.И. Гаевого). Уменьшение Df с
глубиной указывает на хаотизацию структурной организации порового про-
странства угольного вещества.
Тектоническая нарушенность угольных пластов. Для понимания меха-
низмов развязывания внезапных выбросов необходимо обоснование струк-
турных особенностей углей, расположенных в выбросоопасных пластах.
Имеющиеся в нашем распоряжении образцы углей из шахт Донецкого уголь-
ного бассейна позволили сделать выводы, касающиеся этой проблемы. Ока-
залось, что она связана с деформируемостью углей в процессе метаморфизма
на геологических масштабах времени, а также с особенностями структуры уг-
лей в зонах геологических нарушений. Согласно [11] в общем количестве пор
и распределении пор по размерам преобладают закрытые поры. «Влияние
тектонических деформаций способствует увеличению количества закрытых
пор, что отражается в гораздо большем объеме пор и удельной поверхности в
Физико-технические проблемы горного производства 2018, вып. 20
14
сильно деформированных углях, чем это наблюдается в слабо деформирован-
ном угле.» [11].
Рис. 3. Зависимость Df от глубины залегания угольного пласта для углей
марки ОС
Воспользуемся данными МУРН для выбросоопасных и угрожаемых углей.
При вычислении открытой и закрытой пористости были использованы ре-
зультаты, полученные для образцов серии 2 и 3, подвергавшимся одноосному
деформированию (см. [14], таблица 1). Рисунок 4 дает представление о зави-
симости полной и закрытой пористости от фрактальной размерности, полу-
ченной методом МУРН. Вклад закрытой пористости в ряду метаморфизма по-
казан на рисунке 5. Аппроксимация экспериментальных значений квадратич-
ной зависимостью показала наличие максимума для углей средней стадии ме-
таморфизма.
Из имеющихся данных вычислены значения относительного содержания
закрытой пористости для выбросоопасных и угрожаемых пластов. Получены
средние значения содержания закрытых пор 0,577 для угрожаемых и 0,780
для выбросоопасных. Т.е., закрытых пор больше в образцах из выбросоопас-
ных пластов. Такая же тенденция наблюдается для двух образцов углей ОС,
которые мы анализировали выше: для выбросоопасного угля закрытая пори-
стость составляет 0,167, в то время как для угля из угрожаемого пласта –
0,044. То есть, в состав выбросоопасных пластов входит уголь, который по
представлениям авторов [11] можно отнести к «деформированному». Для та-
ких углей характерно повышенное содержание закрытой пористости и удель-
ной поверхности пор. С позиций иерархической организации структуры в
этих пластах уголь имеет более высокие значения поверхностной фракталь-
Физико-технические проблемы горного производства 2018, вып. 20
15
ной размерности. По этому параметру угольные пласты можно характеризо-
вать, как склонные к выбросам угля, породы и газа.
Рис. 4. Зависимость пористости углей от фрактальной размерности:
1 - полная, 2 - закрытая пористость
Рис. 5. Зависимость относительного содержания закрытой пористости от вы-
хода летучих
Текстура и химический состав. Согласно данным сканирующей элек-
тронной микроскопии, в состав выбросоопасных угольных пластов входит
Физико-технические проблемы горного производства 2018, вып. 20
16
уголь, содержащий железо- и серосодержащие соединения (табл. 1). Обяза-
тельным условием выбросоопасности пласта является наличие зон с повы-
шенным содержанием железа (достигающим 26%) и серы (до 20%). Мине-
ральные включения в виде пирита FeS2 образуют агрегаты, которые при
МУРН характеризуются массовыми фракталами.
Таблица 1
Данные о химическом составе, измеренные на сканирующем элек-
тронном микроскопе из микрофотограмм для образцов углей
Марка С, % Vdaf, % Femax Smax Df Пласт
Ж
ОС
K
OC
OC
Г
91,3
93,7
87,0
94,5
93,5
84,5
31,0
18,5
25,2
18,9
19,4
39,4
17,3
24,3
26,0
0,3
23,3
1,1
18,5
0,43
17,9
0,60
23,2
0,96
2,91(Dm)
2,98
2,98(Dm)
2,71
2,92
2,03(Dm)
выбросоопасный
выбросоопасный
выбросоопасный
угрожаемый
выбросоопасный
угрожаемый
Для угрожаемых пластов характерны другие виды минеральных включе-
ний, содержащие оксиды кремния SiO2 и алюминия Al2O3 с содержанием
кремния до 18% и алюминия до 14%. Области, в которых отсутствуют эти
включения соответствуют витринитам с содержанием углерода (80–86) %.
Согласно данным МУРН иерархическая структура таких углей рассматрива-
ется как поверхностный фрактал с размерностью Ds = 2,71.
Можно сделать вывод: структура угольного вещества выбросоопасных
пластов характеризуется поверхностным фракталом с фрактальной размерно-
стью Ds, близкой к значению 2,9 – 3,0 или массовым фракталом, который об-
разован конгломератами различных минеральных включений. В угрожаемых
пластах структура угля характеризуется более «гладкими» поверхностями по-
рового пространства при значениях Ds < 2,9.
Наиболее надежно такие закономерности удается выявить при сравнении
двух типов структуры углей одной стадии метаморфизма, которые образова-
лись в одних и тех же горно-геологических условиях. Это означает, что воз-
можно предсказать наличие зон опасных по выбросам угля и газа, анализируя
иерархическую структуру образцов углей, полученных из опережающих и
разгрузочных скважин при отработке пласта.
Выводы
Показано, что (1) структура углей ранних стадий метаморфизма может
быть рассмотрена в виде массового фрактала с массовой фрактальной размер-
ностью Df = , равной тангенсу угла наклона кривой рассеяния, построенной
в двойных логарифмически координатах; (2) значения удельной поверхности
Физико-технические проблемы горного производства 2018, вып. 20
17
A (или S/V), полученные нами из данных МУРН, соответствуют полной пори-
стости образцов и обеспечивают высокую надежность корреляции (R2> 0,9)
для зависимости A = f(Df); (3) Высокие значения поверхностной фрактальной
размерности и повышенное содержание минеральных включений, содержа-
щих железо и серу, могут служить критерием тектонической нарушенности
структуры углей и признаком выбросоопасности угольного пласта.
Благодарности
Авторы выражают искреннюю благодарность А.И. Куклину и А.Х. Исла-
мову за техническое обеспечение экспериментов по малоугловому рассеянию
нейтронов и за обсуждение результатов исследования.
1. Sokolov I.M. (2009) Anomalous Diffusion on Fractal Networks. In: Meyers R. (eds)
Encyclopedia of Complexity and Systems Science. Springer, New York, NY, 13-25.
Doi:10.1007/978-0-387-30440-3
2. Zelenyi, L.M., & Milovanov, A.V. (2004). Fractal topology and strange kinetics: From
percolation theory to problems in cosmic electrodynamics. Uspekhi Fizicheskih Nauk,
174(8), 809. doi:10.3367/ufnr.0174.200408a.0809
3. Kudryavtsev P., Figovskiy O. (2015) Zol'-gel' tekhnologiya poristykh kompozitov.
LAP Lambert Academic Publishing, 2015, ISBN 978-3-659-78529-0, 466 p.
4. Smirnov B.M. (1991) Fizika fraktal'nykh klasterov. Nauka, Moscow, 136 p.
5. Eggersdorfer, M.L., & Pratsinis, S.E. (2012). The Structure of Agglomerates Consist-
ing of Polydisperse Particles. Aerosol Science and Technology, 46(3), 347-353.
doi:10.1080/02786826.2011.631956
6. Astakhov A.V., Belyi A.A., Shirochin D.L., Ekonomova L.N. (1998) Osobennosti
dielektricheskikh svoistv gazonasyshchennogo uglya i fraktal'nost' ego strukturnoi
organizatsii. Khimiya tverdogo topliva. 5, 37–42.
7. Bale, H.D., & Schmidt, P.W. (1984). Small-Angle X-Ray-Scattering Investigation of
Submicroscopic Porosity with Fractal Properties. Physical Review Letters, 53(6), 596-
599. doi:10.1103/physrevlett.53.596.
8. Radlinski, A., Mastalerz, M., Hinde, A., Hainbuchner, M., Rauch, H., Baron, M.,
Thiyagarajan, P. (2004). Application of SAXS and SANS in evaluation of porosity,
pore size distribution and surface area of coal. International Journal of Coal Geology,
59(3-4), 245-271. doi:10.1016/j.coal.2004.03.002
9. Snook, I., Yarovsky, I., Hanley, H. J., Lin, M.Y., Mainwaring, D., Rogers, H., & Zulli,
P. (2002). Characterization of Metallurgical Chars by Small Angle Neutron Scattering.
Energy & Fuels, 16(5), 1009–1015. doi:10.1021/ef010107n
10. Melnichenko, Y.B., He, L., Sakurovs, R., Kholodenko, A.L., Blach, T., Mastalerz, M.,
Mildner, D.F. (2012). Accessibility of pores in coal to methane and carbon dioxide.
Fuel, 91(1), 200–208. doi:10.1016/j.fuel.2011.06.02
11. Niu, Q., Pan, J., Cao, L., Ji, Z., Wang, H., Wang, K., & Wang, Z. (2017). The evolution
and formation mechanisms of closed pores in coal. Fuel, 200, 555–563.
doi:10.1016/j.fuel.2017.03.084
Физико-технические проблемы горного производства 2018, вып. 20
18
12. Alekseev A.D., Konstantinova T.E., Kirillov A.K., Doroshkevich A.S., Caprykina
A.V. (2010). Dielektricheskie svoistva uglei v intervale chastot do 1 MHz. Fiziko-
tekhnicheskie problemy gornogo proizvodstva, Donetsk, Vyp.13, 22–31.
13. Alekseev A.D., Vasilenko T.A., Kirillov A.K (2008). Svyaz' fraktal'noi razmernosti
strukturnoi organizatsii ugol'nogo veshchestva s parametrami diffuzii metana //
Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. Metan. – Moskva: Gornaya kniga. –
Vyp. 4, 76–84.
14. Vasilenko T.A., Kirillov A.K., Slyusarev V.V. (2015). Issledovanie ierarkhicheskoi
struktury iskopaemykh uglei metodom pressovaniya. Opredelenie polnoi poristosti. Fizika i
tekhnika vysokikh davlenii. 25(1–2), 133–142.
15. Kirillov A.K. (2011). Issledovanie uglei Donetskogo ugol'nogo basseina metodom
malouglovogo rentgenovskogo rasseyaniya. Fiziko-tekhnicheskie problemy gornogo
proizvodstva, Donetsk, Vyp. 14, 20–32.
16. Cherny, A.Y., Anitas, E.M., Osipov, V.A., & Kuklin, A.I. (2017). Scattering from
surface fractals in terms of composing mass fractals. Journal of Applied
Crystallography, 50(3), 919–931. doi:10.1107/s1600576717005696
17. Hurd, A.J., Schaefer, D.W., & Martin, J. E. (1987). Surface and mass fractals in vapor-
phase aggregates. Physical Review A, 35(5), 2361–2364.
doi:10.1103/physreva.35.2361
18. Sinha S. (1999). Small-angle scattering from porous materials. In: Wong P.Z (ed.)
Methods in the physics of porous media. San Diego, London: Academic Press; 223–
262.
19. Melnichenko, Y.B. (2015). Small-angle scattering from confined and interfacial flu-
ids: Applications to energy storage and environmental science. Berlin: Springer.
20. Xinhul M., D.L (2014). Experimental research on pore structure and gas adsorption
characteristic of deformed coal. China Petrolium Processing and Petrochemical
Technology Scientific Research, 16(4), 55–64.
Т.А. Василенко, А.К. Кірілов, В.В. Соболєв, О.С. Дорошкевич, Е.О. Пронський
ДОСЛІДЖЕННЯ ІЄРАРХІЧНОЇ СТРУКТУРИ ВУГІЛЛЯ ДОНЕЦЬКОГО
БАСЕЙНУ МЕТОДОМ МАЛОКУТОВОГО РОЗСІЮВАННЯ НЕЙТРОНІВ
Метою дослідження є визначення фрактальних характеристик ієрархічної структури
викопного вугілля за допомогою такого неруйнівного методу, як малокутове розсі-
ювання теплових нейтронів, що дозволяє вивчати структуру в об'ємі зразків.
В роботі визначені фрактальні розмірності і отримані їх кореляційні зв'язки з пито-
мою поверхнею порового простору, ступенем вуглефікації, глибиною залягання і
схильністю пластів до викидів вугілля і газу для вугілля Донецького вугільного ба-
сейну. Отримані фрактальні розмірності і питомі поверхні дають уявлення про повну
пористість на відміну від методу низькотемпературної адсорбції азоту, що характе-
ризує тільки відкриту пористість.
Вперше показано, що структура вугілля викидонебезпечних пластів характеризу-
ється поверхневим фракталом Df з розмірністю, близькою до значень 2,9 – 3,0 або
масовим фракталом, який утворений конгломератами різних мінеральних включень,
що містять залізо і сірку. У загрозливих пластах структура вугілля характеризується
Физико-технические проблемы горного производства 2018, вып. 20
19
більш «гладкими» поверхнями порового простору при значеннях Df < 2,9 і підвище-
ним вмістом кремнію і алюмінію.
Ключові слова: викидонебезпечні пласти, закрита пористість, малокутове розсію-
вання, мінеральні включення, нейтрон, вугілля, питома поверхня, фрактальна розмі-
рність.
T.A. Vasilenko, A.K. Kirillov, V.V. Sobolev, A.S Doroshkevich, E.A. Pronsky
INVESTIGATION OF THE HIERARCHICAL STRUCTURE OF DONETS
FIELD COALS BY THE SMALL-ANGLE SCATTERING OF NEUTRONS
The investigation of fractal structures in the physics of condensed matter is an urgent task.
An example of a geometric fractal is the complex hierarchical organization of the pore
space of fossil coals, represented as fractal clusters containing elements of different scales.
The determination of the fractal dimension of such objects makes it possible to explain the
dependence of the physical and mechanical characteristics of the coals under external in-
fluences.
The aim of the study is the determination of the fractal characteristics of hierarchical struc-
ture of fossil coals by means of a non-destructive method such as small-angle scattering of
thermal neutrons, which makes it possible to study the structure in the volume of samples.
Fractal dimensions and their correlation links with the specific surface of the pore space,
the degree of coalification, the depth of coal seam and with the propensity of the seam to
coal and gas outbursts for coals of the Donetsk coal basin are determined. The resulting
fractal dimensions and specific surfaces gives the total porosity, in contrast to the method
of low-temperature adsorption of nitrogen, which characterizes open porosity only.
The photomicrographs obtained with the scanning electron microscope made it possible to
conclude that the structure of the coal of the outburst hazardous layers is characterized by
a surface fractal Df with a dimension close to 2,9–3,0 or by the mass fractal that is formed
by conglomerates of various mineral inclusions containing iron and sulfur. In threatened
seams, the coal structure is characterized by more "smooth" pore space surfaces at Df < 2,9
and by the higher content of silicon and aluminum.
Keywords: coal, closed porosity, fractal dimension, hazardous seam, mineral inclu-
sions, neutron, small-angle scattering, specific surface.
HistoryItem_V1
Nup
Create a new document
Trim unused space from sheets: no
Allow pages to be scaled: yes
Margins: left 0.00, top -8.50, right 0.00, bottom 8.50 points
Horizontal spacing (points): 0
Vertical spacing (points): 0
Add frames around each page: no
Sheet size: 8.268 x 11.693 inches / 210.0 x 297.0 mm
Sheet orientation: tall
Scale by 70.00 %
Align: top left
8.5039
10.0000
20.0000
0
Corners
0.3000
ToFit
0
0
1
1
0.7000
0
0
1
0.0000
1
D:20190503134440
841.8898
a4
Blank
595.2756
Tall
-677
283
0.0000
TL
0
CurrentAVDoc
-8.5039
0
2
1
1
0
QITE_QuiteImposingPlus3
Quite Imposing Plus 3.0c
Quite Imposing Plus 3
1
1
HistoryList_V1
qi2base
|