Тенденции развития молекулярной структуры органического вещества каменного угля
Обчислені і статистично оцінені емпіричні закономірності зміни молекулярних параметрів ІЧ-Фур'є спектру вугільної речовини під впливом ступеня метаморфізму, розміру часток порошку кам'яного вугілля і наслідків механічного тиску. Empirical regularities of change of molecular parameters of t...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України
2011
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99729 |
| 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: | Тенденции развития молекулярной структуры органического вещества каменного угля / А.К. Балалаев, А.В. Бурчак // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2011. — № 9, ч. 2. — С. 68-76. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859733799503396864 |
|---|---|
| author | Балалаев, А.К. Бурчак, А.В. |
| author_facet | Балалаев, А.К. Бурчак, А.В. |
| citation_txt | Тенденции развития молекулярной структуры органического вещества каменного угля / А.К. Балалаев, А.В. Бурчак // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2011. — № 9, ч. 2. — С. 68-76. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наукові праці УкрНДМІ НАН України |
| description | Обчислені і статистично оцінені емпіричні закономірності зміни молекулярних параметрів ІЧ-Фур'є спектру вугільної речовини під впливом ступеня метаморфізму, розміру часток порошку кам'яного вугілля і наслідків механічного тиску.
Empirical regularities of change of molecular parameters of the FTIR spectrum of coal matter under influencing of degree of metamorphism, fineness of particles of coal powder and consequences of mechanical pressure are calculated and statistically appraised.
|
| first_indexed | 2025-12-01T14:13:56Z |
| format | Article |
| fulltext |
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011
68
УДК 552.574.08:547.021
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ
ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА КАМЕННОГО УГЛЯ
Балалаев А. К., Бурчак А. В.
(ИГТМ НАНУ, г. Днепропетровск, Украина)
Обчислені і статистично оцінені емпіричні закономірності
зміни молекулярних параметрів ІЧ-Фур'є спектру вугільної речо-
вини під впливом ступеня метаморфізму, розміру часток порош-
ку кам'яного вугілля і наслідків механічного тиску.
Empirical regularities of change of molecular parameters of the
FTIR spectrum of coal matter under influencing of degree of meta-
morphism, fineness of particles of coal powder and consequences of
mechanical pressure are calculated and statistically appraised.
Свойства вещества формируются на молекулярном уровне, а
передаются через надмолекулярную организацию. Поэтому изу-
чение тенденций развития строение органического вещества ка-
менных углей на наноуровне, условий и причин, проходящих в
нем преобразований, остается весьма актуальным. При отсут-
ствии общепринятой теории происхождения шахтного метана,
гипотеза о генерации низкомолекулярных углеводородов ископа-
емой органикой в результате трансформаций молекулярной
структуры в процессе метаморфизма делает эту научную пробле-
му еще более значимой. Понимание тенденций развития молеку-
лярной структуры и факторов, определяющих кинетику преобра-
зований, позволит приблизиться к решению экономических, со-
циологических и экологических проблем Украины.
Постановка проблемы. Изменения в ископаемой органике
в процессе углефикации закономерны и эквифинальны. В про-
цессе метаморфизма в определенных термодинамических усло-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011
69
виях в органическом веществе снижается содержание водорода и
других гетероатомов. Твердый остаток при этом обогащается уг-
леродом, структурируется, стремясь, в пределе, к графитоподоб-
ной решетке [1].
Основными факторами, приводящими к структурным
трансформациям в строении вещества и выделению низкомоле-
кулярных углеводородов, есть давление и температура, которым
подвергалось вещество в процессе геологического развития бас-
сейна. При этом на степень преобразования угольного вещества и
характер структурных трансформаций существенное влияние
оказывает петрографический состав ископаемой органики, точнее
особенности молекулярного строения и элементного состава ма-
цералов, содержание которых в угле нестабильно.
Задачей экспериментальных исследований, результаты ко-
торых представлены в этой работе – определить тенденцию раз-
вития структурных трансформаций активируемых механическим
давлением, показать, что закономерное развитие угольного
вещества приводит к ароматизации с параллельной деструкцией
алифатической части в виде низкомолекулярных соединений.
Цель работы – изучение тенденций изменения молекуляр-
ной структуры угольного вещества, определяемые методом ИК-
Фурье спектроскопии и выявление тенденций развития молеку-
лярной структуры углей в ряду метаморфизма с учетом влияния
механического воздействия и петрографического состава.
Объекты и методы исследований. Одним из путей позна-
ния природы и процессов формирования углей, отличающихся
сложностью и большим разнообразием состава, является стати-
стический анализ массовых экспериментальных данных, на осно-
ве которого строятся эмпирические обобщения, позволяющие со-
здавать отдельные частные теории.
Само по себе понятие молекулярной структуры любого ве-
щества и в особенности созданного природой угля чрезвычайно
сложно и многогранно. Организация молекул не может быть
полностью определена с помощью нескольких критериев. Однако
для каждого вещества существуют информативные признаки, ха-
рактеризующие внешние проявления свойств молекулярной си-
стемы в целом. Для углей, к таким параметрам можно отнести
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011
70
ароматичность и перераспределение водорода в алифатической
цепочке, вычисляемые по ИК-спектрам вещества [1, 2]. Кроме
этого введен дополнительный признак – сдвиг частоты валент-
ных колебаний водорода [3], характеризующий изменение силы
ковалентной СН связи алифатической составляющей молекуляр-
ного ансамбля угольного вещества до и после воздействия меха-
ническим давлением.
В данной работе оцениваются тенденции изменения указан-
ных структурных параметров от воздействия нескольких внеш-
них факторов: степени метаморфизма, размера фракции и по-
следствия механического давления.
В качестве объектов исследований использовались камен-
ные угли Донбасса всех марок метаморфизма.
Метаморфизм угля или углефикация представляет собой
процесс, ход которого зависит от совокупного действия несколь-
ких факторов. Размер фракции угольного порошка является ин-
дикатором различного содержания мацералов [4] и, следователь-
но, может рассматриваться как фактор, влияющий на процесс уг-
лефикации вещества. Механическое давление – это важный фак-
тор, присутствующий в горном массиве, но в связи с отсутствием
возможности измерения ИК-спектров непосредственно в напря-
женном состоянии, в данной работе изучаются остаточные изме-
нения в молекулярной структуре угольного вещества после сня-
тия механического давления.
Ранее полученный массив данных по предварительно запла-
нированному эксперименту [5] позволяет построить нелинейные
эмпирические модели 2-го порядка для двух независимых пере-
менных методом наименьших квадратов [6, 7]. Для вычисления
функции поверхности отклика качественному признаку степени
метаморфизма, в первом приближении, принят соответствующий
количественный аналог с линейной шкалой от 1 до 7.
С помощью факторного анализа [8] показано, что метамор-
физм является самым сильным фактором, влияющим на измене-
ние параметров молекулярной структуры каменного угля. Меха-
ническое давление и размер фракции угольного порошка являют-
ся значительно более слабыми ортогональными компонентами
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011
71
факторного пространства. Однако остается не выясненным во-
прос характера выявленных зависимостей и их достоверности.
Результаты и их обсуждение.
При аппроксимации моделей ароматичности и перераспре-
деления водорода использовался совокупный объем выборки
экспериментальных данных с механическим давлением и без та-
кового. Для построения поверхности отклика частотного сдвига
применялись только данные, полученные с образцов после прес-
сования.
Поверхность отклика ароматичности (рис. 1) отражает тен-
денцию нелинейного увеличения двойных связей и сопряженных
молекулярных структур с ростом степени углефикации.
Рис. 1. Аппроксимированная поверхность отклика арома-
тичности на размер фракции и степень метамор-
физма
Достоверность линейного и квадратичного тренда подтвер-
ждается соответствующей диаграммой Парето (рис. 2). Тенден-
цию роста ароматичности с увеличением размера фракции зерен
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011
72
принимаем не достоверной т. к. оценка соответствующего линей-
ного эффекта находится на пределе заданного уровня значимости
р = 0,05.
Рис. 2. Диаграмма Парето оценки линейных (L) и квадра-
тичных (Q) эффектов влияния степени метаморфиз-
ма и размера фракции на ароматичность
Эмпирическая модель коэффициента перераспределения во-
дорода (рис. 3) имеет явно выраженную нелинейную тенденцию
зависимости от степени метаморфизма с определенным миниму-
мом на коксовой стадии углефикации. Эту экстремальную точку
можно интерпретировать как повышенную устойчивость алифа-
тических цепочек углей марки «К» к внешним воздействиям. В
тоже время угли на ранних стадиях метаморфизма обладают тен-
денцией к облегченной миграции водорода.
Способность к перераспределению водорода достоверно
увеличивается (рис. 4) при увеличении размера фракции частичек
угольного порошка. С одной стороны, это показывает, что собы-
тие перераспределения водорода по алифатическим связям в раз-
личных угольных мацералах не равновероятно. С другой сторо-
ны, очевидно, процесс дробления угля достоверно влияет на
структуру алифатической периферии угольных макромолекул,
что проявляется в свойствах фракционного состава.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011
73
Рис. 3. Аппроксимированная поверхность отклика перерас-
пределения водорода на размер фракции и степень
метаморфизма
Рис. 4. Диаграмма Парето оценки L и Q эффектов влияния
степени метаморфизма и размера фракции на пере-
распределение водорода
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011
74
Рис. 5. Аппроксимированная поверхность отклика сдвига ча-
стоты на размер фракции и степень метаморфизма
Поверхность функции 2-го порядка частотного сдвига (см.
рис. 5) приближается к наклонной плоскости. Эту тенденцию
подтверждает достоверность линейных эффектов влияния степе-
ни метаморфизма и размера фракции (рис. 6). Причем сдвиг ча-
стоты валентных колебаний водорода вызванный давлением
уменьшается с увеличением уровня углефикации и увеличивается
с укрупнением размера зерен. Здесь, как и в двух предыдущих
случаях, фактор метаморфизма ведущий.
Метаморфизм каменных углей представляет собой сложный
многофакторный процесс, который является ведущей движущей
силой изменения молекулярных свойств угольного вещества в
природе. В перспективе установление эмпирических зависимо-
стей активации конкретных структурных трансформаций от
внешних воздействий различных видов и интенсивности с целью
управления процессами, проходящими в угольном веществе.
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011
75
Рис. 6. Диаграмма Парето оценки L и Q эффектов влияния
степени метаморфизма и размера фракции на ча-
стотный сдвиг
Выводы. Полученные зависимости изменения ароматично-
сти и особенно перераспределения водорода от стадий углефика-
ции органического вещества имеют явно нелинейные тенденции,
что приводит к резким изменениям молекулярных свойств уголь-
ного вещества в процессе метаморфизма и возможному появле-
нию экстремумов.
Фактор размера фракции зерен (мацерального состава) и по-
следствия влияния механического давления, как более слабые,
можно отнести к вторичным или подчиненным метаморфизму
обстоятельствам.
По результатам проведенных исследований видно, что аро-
матичность и сдвиг частоты колебаний водорода больше харак-
теризует устойчивость тренда развития молекулярной структуры
в процессе метаморфизма, а перераспределение водорода сильнее
отражает способность к вариабельности или изменчивости внут-
ри- и межмолекулярных связей угольного вещества в пределах
инерционных тенденций процесса углефикации.
Внешнее влияние на макроуровне приводит к структурным
трансформациям в строении вещества на атомно-молекулярном
уровне. Изменения в структуре вещества, вызванные техноген-
Наукові праці УкрНДМІ НАН України, № 9 (частина II), 2011
Transactions of UkrNDMI NAN Ukraine, № 9 (part II), 2011
76
ным воздействием, закономерны, прогнозируемы, могут быть
оценены и, следовательно, в перспективе управляемы.
СПИСОК ССЫЛОК
1. Русьянова Н.Д. Углехимия / Н.Д. Русьянова – М.: Наука,
2003. – 317 с.
2. Саранчук В.И. Исследование ИК спектров углей Донбасса
методом МНПВО / В.И. Саранчук, Л.В. Пащенко, К.Ю. Чотий
// Строение и свойства угля.– Киев, 1981.– Наук. думка С. 5 – 17.
3. Барамбойм Н.К. Механохимия высокомолекулярных соеди-
нений / Н.К. Барамбойм.– М.: Химия, 1978. – 384 с.
4. Поляшов А.С. Распределение петрографических микроком-
понентов в порошкообразных углях / А.С. Поляшов, В.И. Ба-
рановский // Уголь Украины.– 1987.– № 10. – с. 24.
5. Бурчак А.В. Эффект изменения параметров ИК-спектров уг-
лей в ряду метаморфизма при механическом давлении /
А.В. Бурчак, А.К. Балалаев // Геотехнічна механіка: Міжвід.
зб. наук. праць Ін-т Геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова
НАН України Дніпропетровськ, 2010. – Вип. 87. – С. 190 – 198.
6. Боровиков В. STATISTICA: искусство анализа данных на
компьютере. Для профессионалов. – СПб.: Питер, 2001, –
656 с.
7. Кобзарь А. И. Прикладная математическая статистика. Для
инженеров и научных работников. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006,
– 816 с.
8. Балалаев А.К. Методические вопросы ИК-Фурье спектроско-
пии угольного вещества в состоянии близком к природному /
А.К. Балалаев // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць
Ін-т Геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України
Дніпропетровськ, 2010. – Вип. 88.– С. 198 – 207.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99729 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1996-885X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T14:13:56Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Балалаев, А.К. Бурчак, А.В. 2016-05-02T15:01:05Z 2016-05-02T15:01:05Z 2011 Тенденции развития молекулярной структуры органического вещества каменного угля / А.К. Балалаев, А.В. Бурчак // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2011. — № 9, ч. 2. — С. 68-76. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1996-885X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99729 552.574.08:547.021 Обчислені і статистично оцінені емпіричні закономірності зміни молекулярних параметрів ІЧ-Фур'є спектру вугільної речовини під впливом ступеня метаморфізму, розміру часток порошку кам'яного вугілля і наслідків механічного тиску. Empirical regularities of change of molecular parameters of the FTIR spectrum of coal matter under influencing of degree of metamorphism, fineness of particles of coal powder and consequences of mechanical pressure are calculated and statistically appraised. ru Український науково-дослідницький і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України Наукові праці УкрНДМІ НАН України Тенденции развития молекулярной структуры органического вещества каменного угля Article published earlier |
| spellingShingle | Тенденции развития молекулярной структуры органического вещества каменного угля Балалаев, А.К. Бурчак, А.В. |
| title | Тенденции развития молекулярной структуры органического вещества каменного угля |
| title_full | Тенденции развития молекулярной структуры органического вещества каменного угля |
| title_fullStr | Тенденции развития молекулярной структуры органического вещества каменного угля |
| title_full_unstemmed | Тенденции развития молекулярной структуры органического вещества каменного угля |
| title_short | Тенденции развития молекулярной структуры органического вещества каменного угля |
| title_sort | тенденции развития молекулярной структуры органического вещества каменного угля |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99729 |
| work_keys_str_mv | AT balalaevak tendenciirazvitiâmolekulârnoistrukturyorganičeskogoveŝestvakamennogouglâ AT burčakav tendenciirazvitiâmolekulârnoistrukturyorganičeskogoveŝestvakamennogouglâ |