4.6 Физические свойства

Наиболее важные физические свойства углей - плотность угольного вещества и минеральных примесей, пористость, механическая прочность, термическая и термохимическая стойкость, тепловые, электрические свойства и т. д.

Плотность. Для дисперсных и пористых тел, к которым относятся угли, различают действительную, кажущуюся и насыпную плотности.

Действительная плотность представляет собой количественное выражение массы единицы объема углей без пор и трещин.

Кажущаяся плотность представляет собой количественное выражение отношения массы пористого (натурального)тела к единице его объема.

Насыпная плотность углей является количественным выражением отношения их массы к объему, заполненному свободной или неуплотненной насыпкой, т. е. насыпкой в штабеле, вагоне, бункере или в других емкостях. Насыпная плотность зависит от зольности, влажности, гранулометрического состава, формы частиц и их укладки.

Пористость углей различна и зависит от стадии метаморфизма, Она максимальна для углей средней степени метаморфизма.

Механическая прочность углей характеризуется дробимостью, хрупкостью, твердостью, временным сопротивлением сжатию, а также термоустойчивостью (для антрацитов).

Дробимость углей показывает их способность сопротивляться разрушению под действием напряжений, передаваемых углям непосредственно дробящими устройствами (молотками, шарами, зубьями и т. п.). Количественно дробимость выражается удельной работой, затраченной на образование новой поверхности, или отношением размеров кусков углей до и после дробления. Дробимость углей различной стадии метаморфизма резко изменяется. Она увеличивается по мере перехода к углям средней стадии метаморфизма.

Хрупкость углей свойство разрушаться при механичёском воздействии на них без применения специальных дробящих тел и устройств (молотков, шаров и др.). Для определения хрупкости уголь испытывают в закрытых стальных барабанах без дробящих элементов.

Твердость характеризует способность углей противодействовать проникновению в них другого, более твердого тела. Твердость каменных углей по шкале Мооса изменяется от 2 до 5. В СНГ для определения крепости (прочности) углей применяют метод толчения, разработанный М. М. Протодьяконовым.

Угли характеризуются также мокротвердостью, которую определяют по отпечатку алмазной пирамидки, вдавливаемой в уголь под постоянной нагрузкой, выраженной в ньютонах на квадратный миллиметр.

Упругие свойства углей характеризуются временным модулем упругости Юнга, который можно определить статичестким методом (сопротивлением изгибу или сжатию), а также динамическим - наложением механических вибраций.

Оптическое свойства - цвет, блеск, прозрачность, преломление света, отражательная способность тесно связаны с молекулярной структурой органического вещества углей и закономерно изменяются в зависимости от изменения этой структуры под влиянием факторов метаморфизма.

Отражательная способность - одна из наиболее важных оптических характеристик, применяемых для определения компонентов углей. Она измеряется отношением отраженного света к падающему. Различные по петрографическому составу микрокомпоненты углей имеют различную отражательную способность, возрастающую от липтинита к витриниту и инертиниту.

Термическая стойкость - свойство углей не разрушаться при нагревании; уменьшается с увеличением содержания в углях гигроскопической влаги. Последняя при быстром нагревании испаряется, способствуя разрушению углей. Такое же действие оказывают летучие вещества и минеральные примеси с коэффициентом теплового расширения, отличным от коэффициента теплового расширения органической массы углей.

Термохимическая стойкость - способность сопротивляться хими-ческому разложению при нагревании; возрастает с увеличением стадии метаморфизма.

Тепловые свойства. Угли представляют собой неоднородные тела, состоящие из твердых ингредиентов, воздушных прослоек (ячеек), и приближаются по своим тепловым свойствам к теплоизоляторам.

Коэффициент теплопроводности - количество тепла, проходящее в 1ч через 1 м пластины толщиной в 1 м при разности температур 1 °С. Он является в основном функцией температуры и физической геометрии образцов. С ростом температуры коэффициент теплопроводности повышается.

Наименьшими значениями теплопроводности характеризуются угли средней стадии метаморфизма, в первую очередь жирные и коксовые. Значение коэффициента теплопроводности выше у газовых углей, тощих и антрацитов. Теплопроводность органической массы углей значительно ниже теплопроводности минеральных включений, поэтому коэффициент теплопроводности возрастает с увеличением зольности углей.

Теплоемкость углей - количество тепла, которое необходимо сообщить единице массы исходного вещества (или единице объема), чтобы повысить его температуру на 1 °С. В температурном интервале 70 - 250°С зависимость теплоемкости от температуры для большинства углей линейна.

Диэлектрические свойства углей характеризуются диэлектрической проницаемостью, которая показывает во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в углях меньше, чем в вакууме. При взаимодействии электрических зарядов в углях часть энергии необратимо преобразуется в тепло (диэлектрические потери), в результате чего уголь нагревается. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери зависят от многих факторов, в том числе частоты электрического тока, стадии метаморфизма углей, содержания в них углерода, температуры нагрева и т. д.

Установлено, что диэлектрические потери резко увеличиваются при нагреве углей, начиная примерно с температуры б00°С.

Электрическое сопротивление. Угли всех марок по своим свойствам относятся к классу полупроводников. Электрическое сопротивление углей зависит от химического и минерального состава, влажности, температуры, стадии метаморфизма и других факторов. Удельное электрическое сопротивление, определенное в порошке при комнатной температуре и атмосферном давлении, составляет для донецких углей марок Г и Ж1О —2,1010 Ом•см, для антрацитов 5,105-2,106 Ом•см.