Влияние распределения минеральных примесей на обогатимость угольных шламов

Ю.Ф. Патраков , С.А. Семенова, С.М. Никитенко, А.В. Яркова
Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук, г. Кемерово, Российская Федерация
Russian Mining Industry №4S / 2025 p. 58-62

Резюме: Цель исследования – провести сравнительный анализ обогатимости шламов изометаморфных энергетических углей с различным минералогическим составом с использованием гравитационного фракционирования в тяжелых жидкостях. Исследовано влияние минерального состава и характера распределения минеральных примесей в угольном веществе на результаты тяжелосредного гравитационного фракционирования мелкодисперсных шламов (0–3 мм) с различной зольностью (26 и 51%). Проведено разделение общих угольных проб на фракции узкого диапазона по крупности частиц. Выполнен анализ узких фракций на обогатимость в тяжелых средах (бромоформ). Дана оценка распределения минеральных примесей в зависимости от размера фракций. Осуществлен минералогический анализ наиболее зольных фракций. Показано, что присутствие в пробе минеритов – органоминеральных сростков – способствует затруднению разделения угольной пробы на органическую и минеральную составляющие и понижает категорию обогатимости угля.

Ключевые слова: каменный уголь, обогатимость, обломки пород, минеральные компоненты, обогащение в тяжелых средах, мелкодисперсные угольные шламы

Благодарности: Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ и Кемеровской области – Кузбасса в рамках научного проекта №25-17-20003.

Для цитирования: Патраков Ю.Ф., Семенова С.А., Никитенко С.М., Яркова А.В. Влияние распределения минеральных примесей на обогатимость угольных шламов. Горная промышленность. 2025;(4S):58–62. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-4S-58-62

Информация о статье

Поступила в редакцию: 22.06.2025

Поступила после рецензирования: 13.08.2025

Принята к публикации: 19.08.2025

Информация об авторах

Патраков Юрий Федорович – доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией научных основ технологий обогащения углей Института угля, Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук, г. Кемерово, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0001-8087-7563; е-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Семенова Светлана Александровна – кандидат химических наук, доцент, ведущий научный сотрудник Института угля, Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук, г. Кемерово, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-2048-4423; е-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Никитенко Сергей Михайлович – доктор экономических наук, профессор, главный научный сотрудник Института угля, Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук, г. Кемерово, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0003-4516-9064;е-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Яркова Анастасия Владимировна – аспирант, ведущий инженер Института угля, Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук, г. Кемерово, Российская Федерация; е-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

Различия физико-механических и химико-технологических свойств ископаемых топлив обусловлены влиянием стадии метаморфизма и петролого-минералогической неоднородности углей [1; 2]. Петрографический состав в значительной степени определяет марочную принадлежность углей и направления их технологического использования.

Особенности петрографического состава углей Кузнецкого бассейна обусловлены различиями климатических условий и исходного материала растений-углеобразователей [3; 4]. В балахонский геологический период преобладали крупные древесные формы (кордаиты, хвойные) при отложении органического материала в прибрежных морских лагунах. В совокупности со слабообводненными, неблагоприятными для процессов гелефикации условиями торфонакопления это обусловило сравнительно неоднородный петрографический состав углей с повышенным содержанием в них компонентов группы инертинита. По литотипному составу среди углей балахонской серии распространены полуматовые полосчатые кларено-дюрены и матовые однородные дюрены с тонким диспергированием минеральных компонентов в органической массе.

Неспекающиеся, обогащенные инертинитом угли балахонской серии, как правило, имеют энергетическое использование. В отличие от витринитовых углей, энергетический потенциал которых в значительной степени зависит от стадии метаморфизма, для фюзенизированных углей этот фактор не столь существенен. При этом значительное влияние оказывают количество и качество распределения минеральных примесей среди основного угольного вещества.

Переработка углей марки СС, обычно проходящих стадию углеобогащения, ведет к накоплению больших объемов низкосортных угольных шламов, являющихся по сути минерализованными концентратами микрокомпонентов группы инертинита. Вместе с тем для более полного извлечения органической составляющей и, как следствие, энергетического потенциала углей, необходимо повышать глубину обогащения угольного сырья, вовлекая в процесс обогащения и мелкодисперсные шламы энергетических углей. Современный технический уровень обогатительных фабрик, если это не противоречит экономической стороне вопроса, позволяет обогащать угли трудной и сверхтрудной категорий обогащения.

Цель данной работы – провести сравнительный анализ обогатимости шламов изометаморфных энергетических углей с различным минералогическим составом с использованием гравитационного фракционирования в тяжелых жидкостях.

Материалы и методы

В качестве образцов исследования использованы мелкодисперсные (фракция 0–3 мм) угольные шламы – отходы сухого обогащения энергетических углей марки СС различных месторождений Кузнецкого бассейна. Характеристики исследуемых угольных проб приведены в табл. 1, 2.

Таблица 1 Характеристика технологических свойств исследуемых угольных проб (фракция 0–3 мм)

Table 1 Characteristics of the process properties of the studied coal samples (fractions 0–3 mm)Таблица 2 Химико-петрографическая характеристика исследуемых угольных проб

Table 2 Chemical and petrographic characteristics of the studied coal samples

Ситовый анализ проводили методом грохочения первичной пробы с использованием стандартных сит с размером ячейки 0,04; 0,071; 0,125; 0,2; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0 мм. Разделение угольных шламов по плотности осуществляли путём последовательного гравитационного фракционирования в разбавленном бромоформе (плотность жидкостей 1,5 и 2,0 г/см3).

Минеральный состав наиболее зольных фракций определяли методом рентгенографического анализа на порошковом дифрактометре Bruker D8 А25 ADVANCE. Источник излучения – рентгеновская трубка с медным анодом со средней длиной волны излучения 0,15418 нм. Исходные структурные данные взяты из базы данных ICSD.

Результаты

Исследуемые пробы представлены углями средней стадии метаморфизма (Ro,r ~1,0–1,1%) балахонской серии пермского геологического периода, близкого петрографического и химического состава и схожими технологическими свойствами. Фюзенизированные компоненты в исследуемых углях тонко диспергированы среди гелефицированной массы, что обеспечивает им повышенные по сравнению с витринитовыми углями средней стадии метаморфизма механическую прочность и сопротивление дроблению. Принципиальными отличиями образцов шламов являются существенные расхождения по золе – 26 и 51,4% соответственно, что оказывает влияние на снижение рабочей теплоты сгорания топлива.

Таблица 3 Результаты ситового анализа фракции 0–3 мм и тяжелосредного гравитационного фракционирования узких фракций пробы 1

Table 3 Results of the sieve analysis of the 0–3 mm fractions and heavymedium gravity separation of narrow fractions of Sample 1

Таблица 4 Результаты ситового анализа фракции 0–3 мм и тяжелосредного гравитационного фракционирования узких фракций пробы 2

Table 4 Results of the sieve analysis of the 0–3 mm fractions and heavymedium gravity separtaion of narrow fractions of Sample 2 Таблица 5 Минеральный состав исследуемых проб угольного шлама

Table 5 Mineral composition of the studied coal sludge samples

Перед испытанием пробы подвергли последовательному разделению грохочением на фракции более узких классов крупности (табл. 3, 4). Анализ гранулометрического состава показывает, что основная масса материала пробы 1 представлена диапазоном классов крупности 0,071–2 мм с выходом 62,31% с зольностью 21,5%. Доля частиц с крупностью < 0,071 составляет 26,47% с зольностью 55,1%. Для высокозольной (51,4%) пробы 2 наименьшая зольность – 37,2% соответствует узкому диапазону крупности 0,5– 2 мм в количестве 33,3%. Для обоих проб шлама наибольшая для минеральных веществ зольность концентрируется во фракциях > 2 мм и < 0,2 мм.

Последовательность операций по определению минерального состава проб состояла в разделении угольных шламов путём гравитационного фракционирования в растворах бромоформа плотностью 1,5 и 2,0 г/см3 с изучением распределения минералов по фракциям для каждого класса крупности. Анализ результатов тяжелосредного фракционирования показывает, что основная масса пробы 1 представлена материалом лёгкой фракции (< 1,5 г/см3) с выходом 83,57% масс (см. табл. 3). Выход промежуточной фракции (1,5–2,0 г/см3) весьма невелик и составляет 0,36% от общей массы пробы. На долю тяжёлой фракции (> 2,0 г/см3) приходится 16,07% масс. Больший выход тяжелой фракции соответствует классам крупности < 0,2 мм, которые имеют повышенную зольность. Таким образом, результаты испытания фракции 0–3 мм методом тяжелосредного фракционирования показывают высокую четкость разделения органической и минеральной составляющих исследуемого угля и доказывают эффективность применения гравитационного обогащения для мелких классов крупности.

Результаты гравитационного фракционирования пробы 2 (см. табл. 4) показали, что основная масса пробы приблизительно в равных соотношениях представлена материалом тяжёлой и лёгкой фракций – 46,29 и 51,34% масс. На долю промежуточной фракции (1,5–2,0 г/см3) приходится 2,37% от общей массы пробы.

В зависимости от величины показателя обогатимости Т (см. табл. 3, 4) угольные пробы можно отнести по категории обогатимости: проба 1 – легкая, проба 2 – средняя. Больший выход промежуточных фракций для пробы 2 свидетельствует о трудности разделения исходного шлама на концентрат и породу. Результаты исследования минерального состава на примере наиболее зольного класса < 0,071 мм (табл. 5) показали, что в составе легкой фракции (ρ < 1,5 г/см3) пробы 1 преимущественно концентрируется органическая масса угля. Данная фракция на 83,81% сложена чистым или слабо загрязненным углем (рис. 1, а). В промежуточной фракции (ρ = 1,5–2,0 г/см3) уголь находится в количестве 0,33 % масс. В свою очередь, тяжелая фракция плотностью > 2,0 г/см3 состоит главным образом из минеральных пород, в которых преобладают кварц (5,51 %), карбонаты – кальцит, анкерит (2,89%), обломки пород (2,72%), плагиоклазы (1,54%) и магнетит (1,04%). В количестве 1,62% присутствуют минериты – угольные минеральные ассоциации с содержанием минеральной составляющей в зерне 20–60%. Обломки пород представляют собой зёрна кварца и полевого шпата, сцементированные глинистым и карбонатным материалом, а также отмечаются тонкозернистые агрегаты серого и тёмно-серого цвета, иногда с вкраплениями углистого вещества (рис. 2, а). Менее 1% обнаружены слюды, глинистые минералы и гидроксиды железа.

Рис. 1 Микрофотография общего вида легкой фракции (ρ < 1,5 г/см3) для пробы 1 (а) и 2 (б). Класс 0,5–1 мм

Fig. 1 A microphotograph of a general view of the light fraction (p < 1.5 g/cm3) for Samples 1 (а) and 2 (б). Grade 0.5-1 mm

Рис. 2 Микрофотография общего вида тяжёлой фракции (ρ > 2,0 г/см3) для пробы 1 (а) и 2 (б). Класс 0,5–1 мм

Fig. 2 A microphotograph of a general view of the heavy fraction (p > 2.0 g/cm3) for Samples 1 (а) and 2 (б). Class 0.5–1 mm

Минеральный состав пробы 2 на 46,29% сложен чистым или слабо загрязненным углем (рис. 1, б). В количестве 20,26% присутствуют минериты. В пробе отмечаются обломки пород (14,65 %), кварц (9,95%), глинистые минералы (3,58%), плагиоклазы (1,52%) и карбонаты (1,62%) – кальцит, анкерит. Обломки пород представляют собой зёрна кварца и полевого шпата, сцементированные глинистым и карбонатным материалом. Также наблюдаются тонкозернистые агрегаты серого и тёмно-серого цвета, иногда с тонкими прослоями угля (рис. 2, б).

Заключение

Оценка результатов фракционного и минералогического анализов показала, что исследуемые пробы угольных шламов существенным образом различаются по качеству распределения минеральных компонентов. Если проба 1 представлена смесью легко отделяемых органических и породных компонентов, то проба 2 содержит большое количество органоминеральных сростков – минеритов, что придает ей повышенную зольность и обусловливает трудность обогащения. Поэтому знания категории обогатимости недостаточно для определения направлений использования угля, обоснования режимов и экономики переработки угля. Для решения этих вопросов необходима качественно-количественная характеристика продуктов обогащения угля.

Список литературы

1. Артемьев В.Б., Еремин И.В., Гагарин С.Г. Петрография углей и их эффективное использование. М.; 2000. 334 с.

2. Krevelen D.W. van. Coal – typology, physics, chemistry, constitution. Amsterdam; New York: Elsevier; 1993. 979 p.

3. Арцер А.С., Протасов С.И. Угли Кузбасса: происхождение, качество, использование. Кемерово: Кузбас. гос. техн. ун-т; 1999. Кн. 1. 177 с.

4. Звонарев И.Н. (ред.) Атлас верхнепалеозийских углей Кузнецкого бассейна: (Атлас микроструктур, строение пластов, состав, качество, условия образования, распространение). Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние; 1966. 367 с.