|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
Методы исследования электрофизических и структурных характеристик
ископаемых углей Т.А. Василенко1, А.К. Кириллов1*, В.В.
Соболев2, А.С. Дорошкевич3, Н.В. Дорошкевич4 1Институт физики горных процессов НАН Украины, 49600, г. Днепр, ул. Симферопольская, 2-а. 2НТУ «Днепровская политехника», 49005 г. Днепр, пр. Дмитрия
Яворницкого, 19. 3Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН
Украины, 03680, Киев, пр. Науки,
46. 4Донецкий национальный университет им. Василия Стуса,
21100, Винница, ул. 600-летия, 21. Физико-технические проблемы горного производства, 2019, (21), 6-31. https://doi.org/10.37101/ftpgp21.01.001 ABSTRACT(IN UKRAINIAN) 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. Ключові слова: імпедансна
спектроскопія, розсіювання нейтронів, електропровідність, викопне вугілля,
тектонічне порушення, низькотемпературна адсорбція, фрактальна
розмірність Список литературы 1.
Konchits, A.A., Shanina, B.D., Valakh, M.Ya., Yanchuk, I.B., Yukhymchuk, V.O. et al. (2012). Local structure, paramagnetic properties, and porosity of natural
coals: Spectroscopic studies. J. Appl. Phys. 112, 043504 . doi: 10.1063/1.4745015 2.
Василенко, Т.,
Исламов, А., Кириллов, А., & Дорошкевич, А. (2018). Исследование
иерархической структуры ископаемых углей методом малоуглового
рассеяния тепловых нейтронов. Горный
информационно-аналитический бюллетень (сб.научн.
трудов), № 11, (спец. Выпуск №49), 33-48. doi:10.25018/0236-1493-2018-11-49-33-48 3.
Bisquert, J., & Compte, A. (2001). Theory of the
electrochemical impedance of anomalous diffusion. Journal of Electroanalytical Chemistry 499.112–120. 4.
Randles, J.E.B.
(1947). Kinetics of rapid electrode reactions. Discuss. Faraday Soc., 1,
11-19. DOI:10.1039/DF9470100011 5.
Diffusion Impedance. Handbook, 2001, 22p. 6.
Василенко, Т.А.,
Кириллов, А.К., Соболев, В.В, Дорошкевич, А.С., & Пронский, Е.А. (2017). Изменение электрофизических
параметров увлажненного каменного угля при магнитоимпульсном воздействии. Фізико-технічні
проблеми гірничого виробництва. – Вип. 19. – Днiпро:
Інститут фізики гірничих процесів НАН України, 5-18. 7.
VanderNoot, T.J. (1991). Limitations in the analysis
of ac impedance data with poorly separated faradaic and diffusional
processes. J. Electroanal.
Chem., 300,
199-210. doi.org/10.1016/0022-0728(91)85395-6 8.
Wong, P.Z. Fractal surfaces in porous media (1987). Physics
and Chemistry of Porous Media. Vol. 2, eds. Bahavar
J.P., Koplik J. & Winkler K.W. – Am. Inst.
Phys., Vol. 154, 304–318. 9.
Dyre, J. (1994). Studies of ac hopping
conduction at low temperatures. Physical Review. B 49, 11709 . 10.
Chelidze, T.L., Gueguen, Y., & Ruffet, C. (1999). Electrical spectroscopy of
porous rocks: a review – II. Experimental result and interpretation. Geophys. J. Int. 137. 16–34. 11.
http://www.abc.chemistry.bsu.by/vi/analyser/
– [Электронный ресурс] - Программа для анализа и моделирования спектров
импеданса. 12.
Яшина, Е.Г., & Григорьев, С.В. (2017). Малоугловое рассение нейтронов на фрактальных объектах. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 9, 5–16. DOI: 10.7868/S0207352817090013 13.
Kuklin, A.I., Rogachev,
A.V., Soloviov, D.V., et al. (2017). Neutronographic investigations of supramolecular
structures on upgraded small-angle spectrometer YuMO.
IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 848, 012010.
doi :10.1088/1742-6596/848/1/012010 14.
Cherny, A.Yu., Anitas, E.M., Osipov, V.A., & Kuklin, A.I.
(2017). Scattering from surface fractals in terms of composing mass fractals. J. Appl. Cryst.
50, 919–931.
https://doi.org/10.1107/S1600576717005696 15.
Свергун, Д.И., & Фейгин, Л.А.
(1986). Рентгеновское и нейтронное малоугловое
рассеяние. Москва: Наука. 16.
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 17.
Avnir,
D., Jaroniec,
M. (1989). An isotherm equation for adsorption on fractal surfaces of heterogeneous porous materials. Langmuir 5, 1431–1433. 18.
Xiaoshi Li, Yiwen Ju, Quanlin Hou,
Zhuo Li, & Junjia Fan. FTIR and Raman Spectral Research on
Metamorphism and Deformation of Coal. Journal of Geological Research. -
Volume 2012, ID 590857- 8. doi:10.1155/2012/590857. 19.
Manoj,
B, & Kunjomana,
A.G. (2010). FT-Raman Spectroscopic Study of Indian Bituminous and
Sub-bituminous Coal. Asian Journal of Material Science 2(4), 204-210. 20.
He Xueqiu,
Liu Xianfeng, Nie Baisheng, & Song Dazhao.
(2017). FTIR and Raman spectroscopy characterization of functional groups in
various rank coals. Fuel 206, 555–563. 21.
Ulyanova,
E.V., Molchanov, A.N., Prokhorov, I.Y., & Grinyov V.G.
(2014). Fine structure of Raman spectra in coals of different rank. International
Journal of Coal Geology 121, 37–43. http://dx.doi.org/10.1016/j.coal.2013.10.014 22.
Ye, R., Xiang, Ch., Lin, J. et
al. (2013). Coal as an
abundant source of graphene quantum dots. Nature Communications 4,
3943. DOI:10.1038/ncomms3943 REFERENCES 1. Konchits, A.A., Shanina,
B.D., Valakh, M.Ya., Yanchuk, I.B., Yukhymchuk, V.O. et al. (2012). Local structure,
paramagnetic properties, and porosity of natural coals: Spectroscopic
studies. J. Appl. Phys. 112, 043504 . doi: 10.1063/1.4745015 2. Vasilenko,
T., Islamov, A., Kirillov,
A., & Doroshkevich,
A. (2018). Issledovaniye iyerarkhicheskoy
struktury iskopayemykh ugley metodom malouglovogo rasseyaniya teplovykh neytronov. Gornyy informatsionno-analiticheskiy
byulleten' (sb.nauchn. trudov), № 11, (spets. Vypusk №49). doi:10.25018/0236-1493-2018-11-49-33-48 3. Bisquert,
J., & Compte, A. (2001). Theory of the
electrochemical impedance of anomalous diffusion. Journal of Electroanalytical Chemistry 499.112–120. 2. Randles, J.E.B.
(1947). Kinetics of rapid electrode reactions. Discuss. Faraday Soc., 1,
11-19. DOI:10.1039/DF9470100011 3. Diffusion Impedance. Handbook, 2001, 22p. 4. Vasilenko, T.A., Kirillov,
A.K., Sobolev, V.V, Doroshkevich,
A.S., & Pronskiy, Ye.A. (2017). Izmeneniye elektrofizicheskikh parametrov uvlazhnennogo kamennogo uglya pri magnitoimpul'snom
vozdeystvii.Fizyko-tekhnichni problemy
hirnychoho vyrobnytstva.
– Vyp. 19. – Dnipro: Instytut
fizyky hirnychykh protsesiv NAN Ukrayiny 5. VanderNoot. T.J. (1991). Limitations in the
analysis of ac impedance data with poorly separated faradaic and diffusional
processes. J. Electroanal.
Chem., 300,
199-210. doi.org/10.1016/0022-0728(91)85395-6 6. Wong, P.Z. Fractal surfaces in
porous media (1987). Physics and Chemistry of Porous Media. Vol. 2,
eds. Bahavar, J.P., Koplik,
J. & Winkler, K.W. – Am. Inst. Phys., Vol. 154, 304–318. 7. Dyre, J. (1994). Studies of ac hopping conduction
at low temperatures. Physical Review. B 49, 11709 . 8. Chelidze, T.L., Gueguen, Y., Ruffet,
C. (1999). Electrical
spectroscopy of porous rocks: a review – II. Experimental result and
interpretation. Geophys. J. Int.
137. 16–34. 9. http://www.abc.chemistry.bsu.by/vi/analyser/ – [Electronic Resource] - A program for
the analysis and modeling of impedance spectra. 10. Yashina, Ye.G., & Grigor'yev,
S.V. (2017). Malouglovoye rasseniye
neytronov na
fraktal'nykh ob"yektakh.
Poverkhnost'. Rentgenovskiye,
sinkhrotronnyye i neytronnyye issledovaniya. DOI: 10.7868/S0207352817090013 11. Kuklin, A.I., Rogachev,
A.V., Soloviov, D.V., et al. (2017). Neutronographic investigations of supramolecular
structures on upgraded small-angle spectrometer YuMO.
IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 848, 012010.
doi :10.1088/1742-6596/848/1/012010 12. Cherny, A.Yu., Anitas, E.M., Osipov, V.A., & Kuklin, A.I. (2017). Scattering from surface
fractals in terms of composing mass fractals.
J. Appl. Cryst. 50,
919–931. https://doi.org/10.1107/S1600576717005696 13. Svergun, D.I., & Feygin, L.A.
(1986). Rentgenovskoye i neytronnoye malouglovoye rasseyaniye. Moskva: Nauka. 14. 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 15. Avnir, D.,
& Jaroniec, M. (1989). An isotherm equation for adsorption on fractal surfaces of heterogeneous porous materials. Langmuir 5, 1431–1433. 16. Xiaoshi, Li, Yiwen, Ju, Quanlin,
Hou, Zhuo, Li, & Junjia, Fan. FTIR and Raman Spectral Research on
Metamorphism and Deformation of Coal. Journal of Geological
Research. - Volume 2012, ID 590857- 8. doi:10.1155/2012/590857. 17. Manoj, B, & Kunjomana,
A.G. (2010). FT-Raman Spectroscopic Study of Indian Bituminous and
Sub-bituminous Coal. Asian Journal of Material Science 2(4), 204-210. 18. He, Xueqiu,
Liu, Xianfeng, Nie, Baisheng, & Song, Dazhao.
(2017). FTIR and Raman spectroscopy characterization of functional groups in
various rank coals. Fuel 206, 555–563. 19. Ulyanova, E.V., Molchanov,
A.N., Prokhorov, I.Y., & Grinyov, V.G.
(2014). Fine structure of Raman spectra in coals of different rank. International
Journal of Coal Geology 121, 37–43. http://dx.doi.org/10.1016/j.coal.2013.10.014 20. Ye, R., Xiang, Ch., Lin, J. et al.
(2013). Coal as an abundant
source of graphene quantum dots. Nature Communications 4, 3943.
DOI:10.1038/ncomms3943
|
||||||||||||||||||||
