О химическом составе и структуре инертинита угольных пластов

О химическом составе и структуре инертинита угольных пластов

На підставі результатів інтерпретації ІЧ-спектрів інертініту досліджено склад та особливості структури речовини. Запропоновано можливі механізми взаємодії різних функціональних груп, що складають молекулярну структуру інертініту з киснем та іншими газами повітря. Встановлено також вплив періоду стар...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Геотехническая механика
Дата:2010
Автори: Бурчак, А.В., Савченко, В.В., Слободянникова, В.К.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2010
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33346
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:О химическом составе и структуре инертинита угольных пластов / А.В. Бурчак, В.В. Савченко, В.К. Слободянникова // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 88. — С. 141-147. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33346
record_format dspace
spelling Бурчак, А.В.
Савченко, В.В.
Слободянникова, В.К.
2012-05-27T16:19:34Z
2012-05-27T16:19:34Z
2010
О химическом составе и структуре инертинита угольных пластов / А.В. Бурчак, В.В. Савченко, В.К. Слободянникова // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 88. — С. 141-147. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33346
552.574.121.08:54
На підставі результатів інтерпретації ІЧ-спектрів інертініту досліджено склад та особливості структури речовини. Запропоновано можливі механізми взаємодії різних функціональних груп, що складають молекулярну структуру інертініту з киснем та іншими газами повітря. Встановлено також вплив періоду старіння зразків та хімічні перетворення в структурі мацералу.
On the basis of results of interpretation by the FTIR spectrum method of inertinit composition and features of structure of matter is explored. The possible mechanisms of cooperation of different functional groups that make the molecular structure of inertinit with oxygen and other gases of air are offered. Influence of period of senescence of standards and chemical transformations in the structure of matseral is also set.
ru
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
Геотехническая механика
О химическом составе и структуре инертинита угольных пластов
About chemical composition and the inertinit structure of coals
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title О химическом составе и структуре инертинита угольных пластов
spellingShingle О химическом составе и структуре инертинита угольных пластов
Бурчак, А.В.
Савченко, В.В.
Слободянникова, В.К.
title_short О химическом составе и структуре инертинита угольных пластов
title_full О химическом составе и структуре инертинита угольных пластов
title_fullStr О химическом составе и структуре инертинита угольных пластов
title_full_unstemmed О химическом составе и структуре инертинита угольных пластов
title_sort о химическом составе и структуре инертинита угольных пластов
author Бурчак, А.В.
Савченко, В.В.
Слободянникова, В.К.
author_facet Бурчак, А.В.
Савченко, В.В.
Слободянникова, В.К.
publishDate 2010
language Russian
container_title Геотехническая механика
publisher Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
format Article
title_alt About chemical composition and the inertinit structure of coals
description На підставі результатів інтерпретації ІЧ-спектрів інертініту досліджено склад та особливості структури речовини. Запропоновано можливі механізми взаємодії різних функціональних груп, що складають молекулярну структуру інертініту з киснем та іншими газами повітря. Встановлено також вплив періоду старіння зразків та хімічні перетворення в структурі мацералу. On the basis of results of interpretation by the FTIR spectrum method of inertinit composition and features of structure of matter is explored. The possible mechanisms of cooperation of different functional groups that make the molecular structure of inertinit with oxygen and other gases of air are offered. Influence of period of senescence of standards and chemical transformations in the structure of matseral is also set.
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33346
citation_txt О химическом составе и структуре инертинита угольных пластов / А.В. Бурчак, В.В. Савченко, В.К. Слободянникова // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 88. — С. 141-147. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT burčakav ohimičeskomsostaveistruktureinertinitaugolʹnyhplastov
AT savčenkovv ohimičeskomsostaveistruktureinertinitaugolʹnyhplastov
AT slobodânnikovavk ohimičeskomsostaveistruktureinertinitaugolʹnyhplastov
AT burčakav aboutchemicalcompositionandtheinertinitstructureofcoals
AT savčenkovv aboutchemicalcompositionandtheinertinitstructureofcoals
AT slobodânnikovavk aboutchemicalcompositionandtheinertinitstructureofcoals
first_indexed 2025-11-26T13:50:36Z
last_indexed 2025-11-26T13:50:36Z
_version_ 1850625287510818816
fulltext 141 УДК 552.574.121.08:54 Канд. техн. наук А.В. Бурчак, канд. хим. наук В.В. Савченко, вед. инж. В.К. Слободянникова (ИГТМ НАН Украины) О ХИМИЧЕСКОМ СОСТАВЕ И СТРУКТУРЕ ИНЕРТИНИТА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ На підставі результатів інтерпретації ІЧ-спектрів інертініту досліджено склад та особли- вості структури речовини. Запропоновано можливі механізми взаємодії різних функціональ- них груп, що складають молекулярну структуру інертініту з киснем та іншими газами повіт- ря. Встановлено також вплив періоду старіння зразків та хімічні перетворення в структурі мацералу. ABOUT CHEMICAL COMPOSITION AND THE INERTINIT STRUCTURE OF COALS On the basis of results of interpretation by the FTIR spectrum method of inertinit composition and features of structure of matter is explored. The possible mechanisms of cooperation of different functional groups that make the molecular structure of inertinit with oxygen and other gases of air are offered. Influence of period of senescence of standards and chemical transformations in the structure of matseral is also set. Внимание ученых-углехимиков в большей мере сосредоточено на составе и свойствах микрокомпонентов угля, благодаря которым образуется пластиче- ский слой, а также от которых зависит качественный и количественный состав летучих веществ, выделяющихся при коксовании. В первую очередь это маце- ралы группы витринита. Инертная же составная, группа инертинита, не вызы- вает столь пристального интереса. Между тем содержание его мацералов в уг- лях различных месторождений колеблется от 10 до 70% . Общеизвестно, что угли Донецкого бассейна образованы из лигнино-целлюлозных остатков и со- держат инертинита 10 — 12%. Содержание инертинита в Кузнецких и Тунгус- ских углях составляет 30 – 40 %. Нижнепермские угли этих же бассейнов со- держат инертинита 50 – 60 %. А в среднеазиатских углях инертинита до 60 – 70 %. Немаловажным также является исследование роли этого компонента в про- цессе окисления и самовозгорания углей, как в шахтных условиях, так и на тер- риконе. Это, а также то, что химический состав вещества изучен не в достаточ- ной мере, послужило поводом для исследования проб концентрата инертинита, выделенного из образцов углей, пластов d4 шахты Красноармейская Западная, (отобранного в 2009 г., марка К), l1 шх. Краснолиманская (отобранного в 2008 г., Г-Ж), а также h7 шх. Октябрьская (из образца, отобранного в 1982 г., Ж-К). Как видно, изучались угли средних марок метаморфизма, пригодные для коксова- ния. Идентификация функциональних групп, радикалов, разветвленных цепей, молекул и молекулярных агрегатов, входящих в молекулярную структуру ве- щества инертинита проводилась по ИК-спектрам зарегистрированным с помо- 142 щью ИК-Фурье спектрометра модели Nicobet iS10. Образцы для исследований получали из угольных проб по стандартной методике [1]. Регистрация ИК- спектров проводилась в режиме диффузного отражения с помощью специаль- ной приставки (Smart Diffuse Reflectance). Использование этого режима позво- лило получать спектры порошков угля в состоянии близком к природному, так как он не требует специальной подготовки образцов [2]. При изучении строения таких сложных и нестабильных по своему состоянию объектов как ископаемые угли, использование метода диффузного отражения позволяет получить допол- нительную информацию за счет использования образцов в минимально нару- шенном состоянии. Ставилась задача выявить (качественно) особенности химического строения, свойственные инертиниту, их возможное влияние на разрушение структуры и самовозгорание углей. Для идентификации полос поглощения ИК области использовались таблицы из книг К. Наканиси «Инфракрасные спектры и строение органических соеди- нений» [3], а также Э. Преча, Ф. Бюльмана, К. Аффольтера «Определение строения органических соединений» [4]. Для установления взаимосвязи функ- циональных групп со структурными составляющими вещества, и для определе- ния характера химических превращений, использовали в основном «Органиче- скую химию» (Углубленный курс), т.1, т.2, авторов Л. Физер, М. Физер [5, 6], а также другие книги и публикации по органической и неорганической химии. Результаты анализов показали (см. рис. 1, 2, 3 и табл.), что значения частот поглощения (см -1 ) для каждого пика на спектрах образцов из всех трех пластов близки. Незначительные отличия вызваны, по-видимому, влиянием межмоле- кулярного взаимодействия и состоянием вещества. Это свидетельствует в поль- зу того, что из всех трех проб действительно было выделено одно и то же веще- ство и что этому веществу присущи одни и те же компоненты, из каких бы угольных пластов его не выделяли. Вещество это образовано из растительных остатков и представляет собой молекулярный агрегат, основой которого явля- ется углеродно-углеводородный скелет. Периферия скелета состоит из алифа- тических, алициклических, алкильных, карбонильных, гидроксильных, амино-, нитрогрупп, содержит кислород, серу, галогеносодержащие фрагменты и т.д. Что касается пробы из пласта h7, хранившейся при нормальных условиях в течение 28 лет, то ее ИК-спектр отличается повышенной интенсивностью коле- баний в интервале 3656 – 2724 см -1 характерных для соединений водорода. В ИК-спектре ископаемых углей сложно выделить отдельную полосу, свя- занную с колебаниями конкретной структурной единицы, так как большая часть полос перекрывает друг друга, сливаясь в широкие области (2900–3600 см -1 ). Так, фенольные гидроксилы и аминогруппы с водородными связями, да- ют одну и туже полосу поглощения на частоте 3300 см -1 , на интенсивность этой полосы оказывает влияние также влага, находящаяся в образце. В интервале частот 3662 – 3225 см -1 регистрируются пики накопленных в структуре образцов, в том числе и в фенолах, гидроксильных групп (первичных, вторичных, третичных). Увеличение интенсивности поглощения ИК-излучения 143 Рис. 1 — ИК-спектр фюз инертинита, выделенного из угольного пласта d4. Рис. 2 — ИК-спектр инертинита, выделенного из угольного пласта l1. Рис. 3 — ИК-спектр инертинита, выделенного из угольного пласта h7. 144 Таблица1 — Частоты колебаний и соответствующие им функциональные группы в образцах инертинита, выделенных из проб углей пластов d4, l1 и h7* Характеристические частоты выяв- ленных пиков инертинита угольных пластов Функциональные группы D4 L1 H7 3662,84 3660,47 3656,97 Свободная группа O-H 3638,37 3636,05 3636,93 Свободная группа О-Н 3535,50 3538,19 3535,09 -OH: первичные, вторичные, третичные, фе- нольные 3044,11 3044,15 3050,91 C-H группы в ароматических соединениях 2955,20 2958,16 2951,99 Алкены с одной двойной связью C-H st, аллены (C=C)=C-H st 2955,12 2922,90 2924,93 Серосодерж. функц. группы 2851,32 2857,33 2867,16 -C-H2- в алифатических соединениях 2725,02 2724,88 2724,07 Алифатические соединения C-H comb, арома- тические соединения для o-замещения 1709,38 1710,59 1710,18 Карбонилсодержащие соединения, 1657,25 1661,30 1658,70 NH2 деформационные колебания 1598,88 1597,75 1600,85 NO2- в оптических изомерах соединений 1550,63 1548,66 1548,80 C-NO, алифатические С-нитрозосоединения 1530,60 1531,81 1530,03 Нитросоединения 1442,67 1442,61 1442,83 -CH2- CO-, альдегиды или кетоны 1325,10 1328,18 1323,47 Алканы SO2-CH3 1033,18 1031,64 1048,51 R-, -Cl, -Br 879,54 876,69 873,32 Si-OH N-SI-N SI-N-Si Si-F 817,25 812,28 819,14 Si-F st, галогеносодержащие 763,28 754,22 749,98 CH2, γ, алканы *h7 – проба угля содержалась в кернохранилище 28 лет. в пробе из пласта h7, подвергавшейся старению в течение 28 лет, может быть объяснено накоплением гидроксилов, приводящих к разрушению структуры вещества. Можно предположить, что окислы металлов Ca, Mg, Fe и пр. (ком- поненты межклеточного вещества инертинита), которые были занесены на тор- фяник еще во времена гелеобразования, теперь, оказавшись открытыми, всту- пают во взаимодействие с влагой воздуха, образуя основания: CaO + H2O = Ca(OH)2. При дальнейшем соприкосновении компонентов пробы с воздухом, в кото- ром неминуемо присутствуют газы в виде окислов углерода, серы, азота, гало- геноводороды составляющие угля вступают в химическое взаимодействие, об- разуя соли. При этом также разрушается структура инертинита, его вещество разрыхляется. Превращения в той части вещества инертинита, в которой содержатся гид- роксилы, по всей видимости, происходят в такой последовательности: Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O. Кроме CO2, в атмосфере (особенно промышленных районов) присутствуют также окислы серы в виде SO2 и SO3 (ангидриды сернистой и серной кислот) и 145 азота N2O3, N2O5 (ангидриды азотистой и азотной кислот), которые также взаи- модействуют с основаниями металлов: Ca(OH)2 + SO2 = CaSO3 + H2O, Ca(OH)2 + SO3 = CaSO4 + H2O Ca (OH)2 + N2O3 = Ca(NO2)2 + H2O, Ca (OH)2 + N2O5 = Ca(NO3)2 + H2O. Реакции гидроксилов, находящихся в Mg(OH)2, Fe(OH)3 и основаниях дру- гих металлов, содержащихся в инертините, с компонентами окружающей среды протекают аналогичным образом. Только если сульфаты кальция и магния не растворимы, то нитраты (селитра) хорошо растворяются в воде. При воздейст- вии влаги это также является одной из причин разрушения структуры инерти- нита. Что касается нахождения группы OH - в фенолах и полимерных структурах (см. рисунки 1, 2, 3 и табл.), то здесь реакция продиктована свойствами фенола. А он, как известно [3], вступает во взаимодействие с соединениями как слабая кислота. Следовательно, при появлении в системе основания произойдет реак- ция нейтрализации: 2C6H5OH + Ca(OH)2 = (C6H5O)2Ca + 2H2O. В процессе углеобразования появляются как химически стойкие компонен- ты, так и менее стойкие. Последние участвуют в этих процессах как полупро- дукты распада. Стойкие это углеродный скелет вещества инертинита (сродни структуре древесного угля), полупродукты распада — его периферия. Она и представляет собой структуру, в которой, кроме ОН - групп, обнаруженных в интервале 3662 – 3225 см -1 ИК-спектра, содержатся также амины ароматиче- ских и алифатических соединений. Реакции аминов с компонентами атмосферы, как и в случае с фенолом, оп- ределяется их кислотно-основными свойствами. Так, типичные алифатические амины являются более сильными основаниями, чем аммиак. Ароматические же, например, анилин, более слабые основания. В этой связи и взаимодействие их с газообразными ангидридами кислот воздуха будет происходить в два этапа. Вначале реакция идет по типу взаимодействия аммиака с водой (или влагой воздуха) NH3 + H-OH = NH3:H + + OH - (NH4OH): СН3NH2 + H-OH = CH3NH2:H + + OH - для алифатических аминов (RNH3OH), С6Н5NH2 + H-OH = C6H5NH2:H+ + OH - для ароматических аминов (ArNH3OH). Потом амин-основание вступит в реакцию с ангидридом, например, серной кислоты, с образованием соли: 2CH3NH3OH + SO3 = (CH3NH3)2SO4 + H2O (R), 2C6H5NH3OH + SO3 = (C6H5NH3)2SO4 + H2O (Ar). Эти реакции — еще одна составляющая процесса разрушения инертинита. Гидроксильные группы в структуре мацералов группы инертинита (3406 и 3225 см -1 ), скорее всего, являются составной алифатических, алициклических и ароматических соединений. Алкены, полосы поглощения которых обнаруженные в интервале частот 2958 – 2951 см -1 , это вещества, с молекулярным строением соответствующим формуле CnH2n, например, СH2=CH2 (этилен). 146 Что касается алленов, например, CH3-CH2=CH=C=CH2, то они имеют свой- ство перегруппировываться в ацетилен H-C ≡ С-H, газ, который взаимодейству- ет с кислородом, часто со взрывом. Мы не исключаем, что ацетилен может быть одним из инициаторов (если не главным) самовозгорания углей, как в шахтах, так и на терриконах. Из серосодержащих функциональных групп, характеристические полосы которых находятся в диапазоне частот 2955 – 2922 см -1 , можно говорить об идентификации только фенол-2,4-дисульфокислоты, который, судя по всему, является составной частью структуры инертинита. Группы -CH2- (2867–2851 cм -1 ), в алифатических и ароматических соединениях (2725 – 2724 см -1 ) также входят в структуру вещества. Все рассмотренные выше компоненты присущи каждому из образцов инертинита, но не все из них проявляют активность при старении в атмосфере. Это особенно бросается в глаза при сравнении рисунков 1 и 2 с рис. 3, кривая которого описывает пробу, старевшую в условиях кернохранилища 28 лет. Су- дя по спектру пробы из пласта h7 в области 3656 – 2724 см -1 (рис.3), часть ком- понентов структуры угля, оказавшись в атмосферной среде, проявляют химиче- скую активность. Свидетельство тому – высокая интенсивность колебаний. Де- тальное рассмотрение нами компонентов инертинита именно в этой области ИК-спектра обусловлено тем, что они являются причиной, либо одной из при- чин, разрушения инертинита и самовозгорания углей. Что касается компонентов, выявленных в области ИК-спектра 2700 – 750 см - 1 , то пики в этих пределах могут являться результатом наложения деформаци- онных колебаний с обертонами валентных колебаний различных функциональ- ных групп. Это существенно затрудняет их однозначную идентификацию. Высокая интенсивность спектра в области 1600-1650 см -1 связана с погло- щением ароматических соединений и наличием сопряженных и двойных угле- род-кислородных связей в конденсированной ароматической составляющей вещества, а также поглощением хиноидных групп. Область поглощения 1300– 1000 см -1 объясняется деформационными колебаниями кислородосодержащих и хиноидных групп, простых эфиров, а также влиянием минеральных веществ (каолина, карбонатов, кремнезема и др.), содержащихся в угольном веществе [7]. Наш опыт работы с химическими составляющими каменного угля дает ос- нование предполагать, что выявленные компоненты углеродно- углеводородного скелета вещества инертинита достаточно стабильны. Наибо- лее реакционно-способной составной частью молекулярной структуры угля яв- ляются нитрогруппы, ионы галогенов и аминогруппы, также являющиеся со- ставной частью вещества инертинита (см. рис. 3). Специфические свойства инертинита выражаются в особенностях его взаи- модействия с компонентами воздуха. В результате этого взаимодействия струк- тура вещества разуплотняется, при этом увеличивается площадь контакта; об- разовавшиеся в результате реакций аминогруппы и непредельные соединения 147 способствуют активизации химических процессов и самовозгоранию, в частно- сти. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Поляшов А.С. Распределение петрографических микрокомпонентов в порошкообразных углях / А.С. Поляшов, В.И. Барановский // Уголь Украины. – 1987. – № 10. – С.24. 2. Бульбак Т.А., Сокол Э.В., Данилова И.Г. ИК-спектроскопия диффузионного отражения - обоснование корректности методики. / Вестник ОГГГГН РАН, №2(12), Т.2, 2000, С. 36-38. 3. К. Наканиси. Инфракрасные спектры и строение органических соединений. — М.: Мир, 1965.– 216 с. 4. Э. Преч, Ф. Бюльманн, К. Аффольтер. Определения строения органичесних соединений. — М.: Мир, 2006.– 438 с. 5. Л. Физер, М. Физер. Органическая химия. Углубленный курс. Т. 1. — М.: Издат. Химия, 1966.– 783 с. 6. Л. Физер, М. Физер. Органическая химия. Углубленный курс. Т. 2. — М.: Издат. Химия, 1966.–768 с. 7. Т.А. Кухаренко Окисленные в пластах бурые и каменные угли. М.: Недра, 1972.- 216 с. УДК 551.243: 622.023.623 М.н.с. О. А. Карамушка, (ИГТМ НАН Украины) ВЫДЕЛЕНИЕ НАРУШЕННЫХ ЗОН В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ НА ПРИМЕРЕ ШАХТЫ «ПАВЛОГРАДСКАЯ» Представлені результати виділення порушених зон у вугільному пласті С5 шахти «Пав- лоградська» на основі визначення кількості квазікристалів вугілля, їх розмірів, за допомогою оптичної мікроскопії і розрахунку їх коефіцієнтів форми. SELECTION OF THE DISLOCATED ZONE IN COAL LAYERS ON EXAMPLE OF MINE «PAVLOGRADSKAYA» The results of selection of the dislocated in the coal layer of С5 of mine «Pavlogradskaya» on the basis of determining the of quasi-crystals of coal, their sizes, by an optical microscopy and cal- culation of their coefficients of form are presented. Ранее в работах [1-2], были рассмотрены теоретические аспекты проблемы прогноза нарушенных зон в угольных пластах как одного из факторов возник- новения динамических и газодинамических проявлений и обосновано явление формирования квазикристаллов угля в процессе изменения его структуры при разрушении под действием тектонических движений. В данной статье приво- дятся результаты анализа нарушенных зон в угольном пласте 5 C на шахте «Павлоградская», Павлоградско – Петропавловского геолого – промышленного района. Микроструктурные параметры угля определялись с помощью оптического метода, посредством которого установлены количественные характеристики квазикристаллов: их количество, коэффициенты формы (Кф), как отношение длины частицы к ее ширине, и средние размеры (d) в угольных пробах. Сред- ний размер квазикристалла угля определялся по формуле:

Схожі ресурси