Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. В качестве объектов исследования использовали шесть каменных углей разных стадий метаморфизма Кузнечкого угольного бассейна (включая два угля одного пласта, различающиеся по степени окисленности) и антрацит Горловского угольного бассейна. 2. Для улавливания и концентрирования взвешенной пыли в углях была разработана и изготовлена оригинальная лабораторная установка, реализованная на основе комплекса по рассеву угля и воздуходувки с регулируемой скоростью подачи воздуха. Разработан порядок работ на установке с целью улавливания и концентрирования представительных объемов взвешенной пыли в углях, оценки ее количественного содержания и использования пыли для различных исследований. 3. Разработана методика оценки гранулометрического состава выделенной из углей пыли, основанная на методе лазерной дифракции. Предложенная методика включает в себя способы подготовки проб для анализа, подбор оптимального режима измерений, результаты измерений, анализ полученных результатов и их метрологическую оценку. Для этого были проведены экспериментальные исследования по оценке влияния условий определения гранулометрического состава тонкодисперсной угольной пыли методом лазерной дифракции. Выбран оптимальный режим проведения испытаний, включающий следующие параметры: мощность ультразвука, производительность (скорость) насоса, количество поверхностно-активного вещества, время диспергирования. Проведена метрологическая оценка результатов измерений. 4. Пыль, выделенная из разных углей, отличается по гранулометрическому составу. Наибольшее содержание частиц с размерами менее 2.5 мкм отмечено для окисленного каменного угля и антрацита (6.1 и 7.0 % соответственно). Для остальных углей содержание пыли с указанным размером частиц сопоставимо и изменяется от 2.6 до 4.3%. Сравнительно высокое содержание частиц пыли с размерами менее 10 мкм наблюдается для антрацита (28.1%), окисленного каменного угля (22.3%), и каменных углей средней стадии метаморфизма (19.1 и 19.7%), отобранных из разных пластов. 5. Определено общее содержание потенциально опасных элементов в пробах углей (в том числе их распределение по разным классам крупности) и в выделенной по разработанной методике взвешенной угольной пыли. 6. Показано, что содержащаяся в углях пыль может являться концентратором макро- и микроэлементов, представляющих потенциальную опасность при выделении пыли в окружающую среду и ее накоплении. Отмечено, что пыль, содержащаяся в антраците, является концентратором таких элементов как фтор, барий и литий, концентрации которых в ней превышают соответствующие значения в рядовом антраците в 2,5 – 9,3 раза. Пыль окисленного угля отличается высоким концентрированием бария и ртути, однако концентрирование ртути существенно ниже, чем в пыли неокисленного угля того же месторождения. 7. Проведены работы по оценке механических свойств витринитов углей методами квазистатического наноиндентирования и циклического наноиндентирования с увеличивающейся от цикла к циклу величиной максимального нагружения. Проведение экспериментов по циклическому наноиндентированию проводили в соответствии с ранее разработанной (на этапе 2020-2021 выполнения проекта) методикой оценки склонности углей к разрушению. По результатам циклического наноиндентирования исследованные угли были отнесены к трем различным группам по склонности к разрушению. Предложен показатель Ecompaction, отражающий степень уплотнения угольного вещества под индентором при циклическом нагружении с увеличивающейся максимальной нагрузкой. 8. Показано, что с ростом ранга углей происходит снижение показателей нарушенности углей, что связано с уплотнением их структуры и повышением устойчивости к внешним механическим воздействиям. 9. Методом Рамановской спектроскопии проведены исследования по выявлению особенностей надмолекулярной структуры витринитов углей. Для этого был использован метод разложения рамановских спектров, полученных на витрините углей, на комбинации «тонких» полос – пиков, отнесенных к колебаниям различных соединений углерода. Проведено соотнесение соединений углерода к аморфным и кристаллитным формам. Представлен показатель S, характеризующий соотношение доли аморфной и кристаллитной фаз углерода в органическом веществе углей. Показано, что показатель отражения витринита снижается с увеличением доли аморфного углерода относительно кристаллитного. 10. Установлено, что степень уплотнения угольного вещества при циклическом наноиндентировании увеличивается с уменьшением параметра S. Выявлено, что когда отношение аморфного углерода к кристаллическому в углях достигает 1 и выше, вещество углей становится достаточно хрупким и подвергается объемной дезинтеграции при локальных механических воздействиях, таких как циклическое наноиндентирование. 11. Установлено, что выделение опасной аэрозольной пыли определяется механическими свойствами углей и характером разрушения при циклическом нагружении с увеличивающейся нагрузкой. Показано, что склонность углей к образованию взвешенной пыли не зависит от стадии метаморфизма угля. 12. Угли, характеризующиеся объемным характером разрушения при циклическом наноиндентировании (имеющие положительные значения показателя Ecompaction), обладают сравнительно низкой склонностью к образованию тонкодисперсной пыли при механических воздействиях. Наиболее высокой склонностью к образованию тонкодисперсной пыли характеризуются угли с отрицательными показателями уплотнения угольного вещества. При этом чем ниже значение показателя Ecompaction, тем выше склонность углей к образованию тонкодисперсной пыли. Склонность углей к образованию пыли, по всей видимости, определяется соотношением между аморфной и кристаллитной фазами углерода. Чем меньше доля аморфного углерода в органическом веществе, тем выше его склонность к образованию тонкодисперсной пыли при механических воздействиях. При этом механизм разрушения угольного вещества – локальный, не превышающий размеры зоны контакта с внешним нагружением.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В качестве объектов исследования были выбраны угли различных угольных месторождений Российской Федерации (Кузнецкого, Буреинского и Горловского угольных бассейнов). Были проведены работы по определению технического, петрографического состава углей, окисленности, содержания макро- и микроэлементов, в том числе потенциально опасных. Проведен анализ форм нахождения макро- и микроэлементов в углях по данным фракционного анализа (разделения проб углей в разноплотных жидкостях). Проведен анализ содержания макро- и микроэлементов в углях методом энергодисперсионного микроанализа. Проведены экспериментальные работы по оценке способности углей к разрушению с образованием пыли на основании техники циклического наноиндентирования образцов (аншлиф-брикетов) и по картированию механических свойств углей по данным квази-статического наноиндентирования по сетке. Проведены исследования по установлению особенностей надмолекулярной структуры углей методами Рамановской спектроскопии, а также по данным сорбционной обработки каменных углей с использованием диметилформамида, для антрацитов – изучение анизотропии отражения витринита. Проведены работы по определению выхода и состава взвешенной угольной пыли из углей в соответствии с ранее разработанной методикой. Определен гранулометрический состав выделенной из углей взвешенной пыли, содержание в пыли макро- и микроэлементов. Данные, полученные по результатам квази-статического наноиндентирования углей не позволяют оценивать их склонность к разрушению с образованием пыли с размерами частиц менее 10 мкм по абсолютным значениям модулей упругости и глубины внедрения в образец при фиксированной величине максимальной нагрузки. Для качественной оценки склонности углей к разрушению с образованием аэрозольной пыли могут быть использованы карты распределения модуля упругости, построенные по данным квази-статического наноиндентирования по сетке. Они позволяют качественно оценивать склонность углей к разрушению с образованием аэрозольной пыли по неоднородности локальной жесткости угольного вещества, потенциальным концентраторам напряжений (поры, минеральные включения и зоны разупрочнения) и их размерам. По данным циклического наноиндентирования с увеличивающейся нагрузкой, выявлены три группы углей, различающиеся по склонности к разрушению с образованием аэрозольной пыли (частиц с размерами менее 10 мкм). К первой группе отнесены угли, характеризующиеся «объемным» разрушением органического вещества при циклическом нагружении с увеличивающейся нагрузкой. Такие угли характеризуются постепенным снижением величины модуля упругости от цикла к циклу, показатель «уплотнения» E_compaction>0. Ко второй группе отнесены угли, характеризующиеся «локальным» разрушением (только в зоне контакта с индентором), сопровождающимся образованием тонкодисперсных частиц, которые при последующих циклах нагружения препятствуют дальнейшему разрушению. Для таких углей модуль упругости от цикла к циклу увеличивается, показатель E_compaction<0. К третьей группе отнесены угли, для которых не выявлено изменений в модуле упругости от цикла к циклу, E_compaction≈0. Эта группа была названа «переходная зона». Анализ результатов показал, что наибольшей склонностью к разрушению с образованием пыли с размерами частиц менее 10 мкм при механических воздействиях характеризуются угли, отнесенные ко второй группе по данным циклического наноиндентирования. Отнесение углей к группам по склонности к разрушению с образованием аэрозольной пыли определяется особенностями их надмолекулярной структуры, выявленными по данным Рамановской спектроскопии и сорбционной обработки в среде диметилформамида. Угли, отнесенные к первой группе по склонности к разрушению («объемное разрушение») характеризуются высокой долей аморфных соединений углерода, по всей видимости определяющих высокую степень связанности отдельных макромолекулярных агрегатов («кластеров»). Для таких углей показатель соотношения аморфной и кристаллитной форм углерода (S) всегда выше 1, взаимодействие с ДМФА приводит к набуханию угольного вещества и снижению параметра S, по всей видимости, за счет удаления части «связей». Предположительно, высокая степень связанности «кластеров» не позволяет угольному веществу при циклическом наноиндентировании с увеличивающейся нагрузкой формировать высокое количество тонкодисперсных частиц, а разрушение сопровождается образованием более крупных частиц. Угли, отнесенные ко второй группе по склонности к разрушению с образованием аэрозольной пыли («локальное разрушение»), характеризуются значительно более низкой долей аморфных соединений углерода и, следовательно, сниженной степенью связанности между «кластерами». Для таких углей показатель S < 1, взаимодействие с ДМФА не приводит к набуханию угольного вещества, но повышает долю аморфных соединений углерода (увеличение показателя S) за счет частичного вхождения ДМФА в структуру. Разрушение таких углей при циклическом наноиндентировании с увеличивающейся нагрузкой, по всей видимости, характеризуется разрывом слабых связей между «кластерами», что приводит к их высвобождению и формированию тонкодисперсных частиц (пыли). Для углей, отнесенных к третьей группе по склонности к разрушению с образованием пыли, соотношение аморфных и кристаллитных форм соединений углерода практически равное, показатель S≈1. Разработана методика определения потенциальной эмиссии потенциально опасных элементов, выделяющихся в окружающую среду, с угольной пылью. Методика может быть использована на стадии геологического изучения месторождений и при их эксплуатации для оценки содержания в углях разных форм потенциально опасных элементов для прогноза их эмиссии в окружающую среду при разрушении углей. Представлен пример использования методики для прогноза эмиссии макро- и микроэлементов с угольной пылью в окружающую среду. Для всей коллекции исследованных углей установлено, что концентрирование во взешенной пыли золообразующих элементов (Al, Fe, Ca, Mg, Na и K) связано с изменением зольности пыли по сравнению с углем, что указывает на то, что эти элементы приурочены в основном к минеральной части углей. Показано, что концентрирование остальных элементов в пробах взвешенной пыли, как правило, не связано с увеличением зольности взвешенной пыли по сравнению с углем, что свидетельствует о частичном нахождении этих элементов как в минеральной, так и в органической части в виде органоминеральных соединений. На примере двух каменных углей Буреинского бассейна проведены исследования по оценке форм нахождения в них серы, ртути и фтора. На основании результатов определения распределения этих элементов во фракциях разной плотности установлено, что фтор находится в этих углях в виде минеральных соединений, сера преимущественно в органической форме, а ртуть ассоциирована как с минеральным, так и органическим веществом. По всей видимости, с этим связано соответствующее концентрирование фтора в пыли при увеличении ее зольности и одновременное обеднение ее серой. Наиболее явно такие связи проявляются для ртути. Так при зольности пыли сопоставимой с углем, концентрирование ртути в пыли составляет от 2,5 до 3,2.