9.1. Петрографический состав углей

Петрографический состав угля – это количественная характеристика угля по содержанию основных групп мацералов, литотипов и минеральных включений.

В соответствии с ГОСТ 17070-87 «Угли.

При петрографическом анализе мацералы углей объединяют по близким химико-технологическим свойствам в группы: группу витринита (или гуминита для бурых углей), группу липтинита, группу инертинита. В плотных блестящих бурых углях и каменных углях выделяют четвертую группу мацералов – семивитринит, при содержании его в угле более 3% (табл. 9.1). Каждая группа включает ряд мацералов, которые объединяются или по сходству происхождения (липтинит), или по характеру исходного материала и консервации (витринит, инертинит).

Каждая из групп мацералов характеризуется в определенной мере присущим ей химическим составом и физическими свойствами. Мацералы одной степени зрелости по элементному составу отличаются следующим образом: витринит содержит относительно больше кислорода, липтинит – водорода, а инертинит – углерода. Выход летучих уменьшается в ряду липтинит – витринит – инертинит, а отражательная способность в этом ряду возрастает. Инертинит представляет собой наиболее химически инертную составляющую угля, липтинит и витринит – наиболее реакционноспособные его компоненты. С увеличением степени метаморфизма изменяются химические и физические свойства мацералов.

Группа витринита – одна из главнейших составляющих органической массы углей. Она включает гелефицированные компоненты, т.е. продукты гелефикации. Процесс гелефикации – переход гуминовых кислот бурых углей в коллоидные образования – гели через стадию гидрозоля. Витриниты – это продукты гелефикации гуминовых кислот, которые образовались из лигнино-целлюлозных комплексов стенок клеток растений.

Таблица 9.1 – Номенклатура групп мацералов и минеральных включений плотных блестящих бурых углей, каменных углей и антрацитов

В благоприятных условиях, характерных для кислой восстановительной глеевой фации, (длительное пребывание под водой, слабо насыщенной солями в восстановительной обстановке) возможен полный переход растительных остатков в гидрозоль.

Мацералы группы витринита имеют ровную поверхность и серый цвет различных оттенков, закономерно изменяющийся в зависимости от увеличения стадии метаморфизма в сторону светлых тонов. Рельеф менее выражен, чем у других групп. По цвету и рельефу эту группу принимают за эталон, с которым сравнивают другие мацералы. Мацералы этой группы обычно наименее зольные и обладают повышенной хрупкостью (микротвёрдость 200-350 МПа). Витринит отличается более высокой (0,60-0,85) степенью ароматичности, которая возрастает с увеличением степени углефикации, и плотностью 1300-1400 кг/м³.

Показатель отражения мацералов группы витринита в иммерсионном масле изменяется от 0,40 до 4,50% и более. Мацералы группы витринита с показателем отражения от 0,64 до 1,85% при нагревании без доступа воздуха переходят в пластическое состояние. Это их свойство, также как и поведение в процессе коксования, зависит от стадии метаморфизма и восстановленности.

Группа витринита включает три мацерала: телинит, коллинит и витродетринит. Телинит имеет ячеистую структуру, образуется из хорошо сохранившихся гелифицированных тканей растений (древесина, перидерма). Коллинит состоит из гуминового вещества торфа, представленного бесструктурной гелефицированной основной массой, цементирующей микрокомпоненты и минеральные примеси. Он часто заполняет ячейки телинита. Витродетринит представляет собой небольшие обломки с более или менее угловатыми очертаниями. Размер частиц менее 10 мкм. Витродетринит формируется в угольных пластах в результате дробления фрагментов телинита или коллинита под воздействием различных геологических факторов.

Преобразования мацералов группы витринита в процессе углефикации характеризуются четырьмя стадиями, в результате которых происходит изменение их химических и оптических свойств. Первая – стадия длиннопламенных и газовых углей. На этой стадии мацералы приобретают свойство спекаемости, оптические свойства изменяются мало. Они сохраняют цвет и общие внешние микроскопические признаки, полученные в стадию бурых углей. На второй стадии углефикации при переходе от газовых углей к коксовым происходит резкое снижение содержание кислорода, выделяющегося в виде двуокиси углерода и воды. Третья стадия слабометаморфизованных антрацитов совпадает с изменением оптических свойств мацералов группы витринита и началом выделения большого количества водорода в форме метана. Четвёртая стадия (на границе между антрацитами и суперантрацитами) сопровождается сильной ароматизацией и конденсацией колец органической части угольных мацералов.

Изменение оптических свойств и увеличение оптической анизотропии мацералов группы витринита в ходе углефикации вызваны постепенной ориентировкой ароматических гуминовых мицелл (коллоидных частиц) в направлении плоскостей напластования.

Группа липтинита представляет собой растительные остатки с повышенным содержанием водорода (липиды и липоиды) устойчивые к микробиальному воздействию. Мацералы этой группы различаются между собой по морфологическим признакам, обусловленным их происхождением. Форма и размер их также определяются исходным растительным материалом. Эта группа включает споринит, кутинит, суберинит, резинит, альгинит и липтодетринит.

Споринит представляет собой оболочки экзин макро- и микроспор, состоящие из воскоподобного вещества. Споринит имеет в зависимости от ориентировки вид более или менее сплющенных колец, размер которых для макроспор колеблется от 0,1 до 3,0 мм, а для микроспор от 0,01 до 0,08 мм. Суберинит – стенки клеток коревых (пробковых) тканей, содержащие суберин. В углях этот компонент встречается чище всего в виде каемок различной толщины, оконтуривающих коровую ткань.

Группа мацералов липтинита характеризуется тёмно-коричневым, чёрным или тёмно-серым цветом в отраженном свете, сохранившимися морфологическими признаками и способностью при определенной стадии метаморфизма переходить при нагревании в пластическое состояние. При повышении степени углефикации их оптические свойства приближаются к свойствам витринита. Липтинит отличается низкой (0,40-0,60) степенью ароматичности и плотностью 1200-1300 кг/м³. Микротвёрдость колеблется от 80 до 250 МПа. Показатель отражения у этой группы самый низкий от 0,21 до 1,5%. Содержание липтинита в углях варьируется от 5 до 15%.

На стадии торфообразования и диагинеза бурых углей вплоть до каменных углей предшественники микрокомпонентов группы липтинита, в отличие от предшественников витринита, довольно устойчивы. Они не подвергаются гумификации и гелефикации, поэтому в стадии образования торфа, бурых и газовых углей почти не изменяются.

Группа инертинита включает шесть мацералов – фюзинит, микринит, макринит, склеротинит, семифюзинит, инертодетринит. Мацералы этой группы образуются в процессе фюзенизации, который идет в окислительных условиях. Происходит обуглероживание, связанное с биохимическим окислением низкомолекулярных фрагментов и дегидратацией, когда развивается процесс переработки древесины с высвобождением целлюлозных волокон и последующими реакциями типа неполного окисления в условиях слабого обводнения, при этом сохраняется клеточная структура древесины.

Группа инертинита характеризуется высоким показателем отражения и резко выраженным микрорельефом. Цвет изменяется от белого до жёлтого. Мацералы этой группы не переходят в пластическое состояние и не спекаются на всех стадиях метаморфизма. Инертинит имеет самую высокую степень ароматичности (0,75-0,92), которая слабо изменяется с изменением степени углефикации, и плотность 1400-1500 кг/м³. Содержание инертинитов в углях может изменяться от 5 до 40%.

Из мацералов группы инертинита наиболее часто встречается фюзинит. Фюзинит характеризуется наличием клеточной структуры различной степени сохранности. Цвет в отраженном свете желтовато-белый. Встречается в виде обломков линз или вытянутых участков различной ширины. Из всех компонентов угля фюзинит имеет наибольшее содержание углерода.

Микринит – мацерал каменных углей, отличающийся от других мацералов группы инертинита своим происхождением. Он характеризуется округлой формой зерен, размер которых не превышает 3 мкм. Цвет микринита бледно-серый до белого.

Макринит встречается относительно редко. Он представляет собой аморфную незернистую массу с высокой отражательной способностью. Цвет изменяется от светло-серого до белого и до жёлто-белого.

Склеротинит имеет форму округлых, округло-угловатых, овальных тел с резко очерченными краями или рельефных и пористых, губчатых тканей. Микрорельеф, как правило, резко выражен. Цвет изменяется от жёлтовато-белого до жёлтого. Состоит, в основном, из остатков грибов.

Семифюзинит характеризуется наличием клеточной структуры различной степени сохранности. Цвет изменяется от серо-белого до белого в отраженном свете. По морфологическим признакам является переходной стадией между фюзинитом и телинитом.

Инертодетринит – обломки или остатки мацералов, семифюзинита, макринита, фюзинита, склеротинита, которые вследствие небольших размеров не могут быть отнесены к определенным мацералам группы интертинита. Размер частиц меньше 20 мкм.

В процессе углефикации мацералы группы инертинита постепенно теряют кислород и водород, обогащаясь углеродом.

Группа семивитринита по физическим и химико-технологическим свойствам занимает промежуточное положение между группой витринита и инертинита, но ближе к витриниту. Мацералы этой группы не имеют рельефа, они серого или беловато-серого цвета, но всегда светлее, чем мацералы группы витринита. При определенной стадии метаморфизма размягчаться, не переходя в пластическое состояние. Группа включает два мацерала – семиколлинит и семителинит – и входит в состав каменных углей низкой и средней стадии метаморфизма.

Группа гуминита – группа мацералов бурого угля, характеризующаяся серым цветом различных оттенков в отраженном свете, хорошо различимой структурой растительных тканей и являющаяся предшественником группы витринита.

В процессе петрографического анализа наряду с мацералами могут быть определены минеральные включения.

Минеральные включения в углях и антрацитах представлены глинистыми минералами, сульфидами железа, карбонатами, оксидами кремния и прочими минералами. Под термином минеральное вещество в данном случае принято понимать неорганическое вещество, присутствующее в углях при их добыче и образовавшееся при генезисе в ходе последующей геологической истории.

Глинистые минералы характеризуются тёмно-серым цветом с коричневым оттенком, имеют тонкозернистое или чешуйчатое строение. Они на 50% и более сложены из частиц размером от 2 до 100 мкм.

Сульфиды железа в углях обычно представлены пиритом, марказитом, мельниковитом и характеризуются высоким микрорельефом и ярко-жёлтым цветом. Встречаются в виде отдельных зерен, розеток, часто заполняют клеточные полости растительных тканей.

Карбонаты в углях обычно представлены кальцитом, сидеритом, доломитом, анкеритом и другими минералами. Цвет этих минералов серый, немного темнее, чем витринита. В углях карбонаты встречаются в трещинах или образуют отдельные прослойки.

Оксиды кремния представлены в углях кварцем, халцедоном, опалом и другими минералами. Цвет тёмно-серый, микрорельеф высокий.

Мацералы угля редко встречаются в чистом виде. В основном они ассоциированы с мацералами других групп и минеральными включениями, образуя литотипы. Литотипы – составные части угля, различимые невооруженным глазом, отличающиеся по блеску, цвету, излому, структуре, текстуре и трещиноватости.

Витрен – литотип угля, встречающийся в пластах угля в виде линз и прослоев, блестящий, однородный, с раковистым изломом. Цвет – чёрный. Линзы витрена обладают хорошо выраженной эндогенной трещиноватостью, перпендикулярной наслоению. Поэтому витрен легко крошится и при разработке угольного пласта накапливается в тонких фракциях. Витрен состоит только из мацералов группы витринита.

Кларен – литотип угля, образующий прослои и пачки в пластах угля, по блеску близкий к витрену, с угловатонеровным изломом, относительно хрупкий, однородный и полосчатый. В составе кларена более 75% мацералов группы витринита (табл. 9.2).

Таблица 9.2 – Мацеральный состав литотипов угля

Дюрен – литотип угля, образующий прослои и пачки в пластах угля, матовый, однородный, твёрдый, плотный, с шероховатой поверхностью и неровным зернистым изломом. Дюрен может быть чёрного или серого цвета. Отличается от других литотипов углей большей вязкостью (менее хрупок). Прослои дюрена имеют относительно большую мощность (до 10 см) и хорошо выдержаны по простиранию. Дюрен представлен более чем на 75% мацералами группы инертинита и липтинита.

Фюзен – литотип угля, встречающийся в пластах угля в виде линз и прослоев, матовый, с шелковистым блеском, волокнистой структурой, сажистый, очень хрупкий. Размеры линз фюзена по толщине составляют несколько миллиметров, по длине – несколько сантиметров. В пластах угля, особо богатых фюзеном, встречаются прослои мощностью до 20 см и длиной в несколько метров. Фюзен представлен только мацералами группы инертинита.

Дюрено-кларен (полублестящая разновидность) и кларено-дюрен (полуматовая разновидность) относятся к литотипам угля промежуточного состава и характеризуются более сложным сочетанием групп мацералов, которые и определяют их основные свойства.

Кларен и дюрен преобладают в массе угля. Угли могут быть или дюреновые (матовые), или клареновые (блестящие), или смешанные, т. е. полосчатые (перемежаемость матового и блестящего угля). Фюзен и витрен являются, за редким исключением, только примесями в основной массе углей.