Энциклопедия Кольера - уголь ископаемый
Уголь ископаемый
Углеобразование. Начиная с девонского периода в древних торфяных болотах в анаэробных условиях (в восстановительной среде без доступа кислорода) накапливалось и консервировалось органическое вещество (торф), из которого формировались ископаемые угли. Первичная торфяная залежь состояла из массы тканей растений от полностью разложившихся (гелефицированных) до хорошо сохранивших свое клеточное строение. В аэробных условиях при воздействии на остатки растений обогащенных кислородом вод или на контакте с атмосферой происходило полное окисление (разложение) органического вещества с выделением диоксида углерода и легких углеводородов (метана, этана и др.), не сопровождавшееся торфообразованием. Превращение торфа в ископаемый уголь, называемое углефикацией, происходило в течение многих миллионов лет и сопровождалось концентрацией углерода и уменьшением содержания трех основных углеобразующих элементов кислорода, азота и водорода. Главными факторами углефикации являются температура, давление и время. В России принято выделять следующие стадии углефикации: буроугольную (с ранней подстадией лигнитовой), каменноугольную, антрацитовую и графитовую. При этом шло последовательное образование бурых углей, каменных углей, антрацита и графита. В США, Канаде, Германии, Великобритании и многих других странах принято считать, что в процессе углефикации из торфа образуются лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрацит и графит (что не противоречит российской классификации). Современное торфообразование происходит в разных масштабах в пределах всех материков, кроме Антарктиды. Крупные торфяники известны на территории Канады, России, Ирландии, Шотландии и других стран. Углеобразование, имевшее место в прошлые эпохи, различалось по интенсивности, а также условиям формирования первичных торфяников. Как и ныне, в древности торф накапливался и во внутренних частях континентов, и на их окраинах. Большую роль при этом играли климатический и тектонический факторы. Интенсивное углеобразование происходило в эпохи с теплым и влажным климатом, каменноугольную, пермскую, юрскую, палеогеновую и неогеновую, а слабое в девонскую и триасовую. Тектонические пульсационные колебания окраин материков сопровождались накоплением угленосных толщ мощностью в несколько километров, включающих до 200-300 угольных пластов и пропластков. Во время морских трансгрессий торфяные болота затапливались, и поверх торфа отлагались смываемые с прилегающих более высоких участков суши осадки разного механического состава. Затем во время морской регрессии в условиях погружения суши болотообразование возобновлялось и накапливался торф. В результате многократного повторения этих процессов сформировались слоистые осадочные толщи. Мощность таких угленосных толщ колеблется от нескольких десятков метров до 3000 м и более (например, в Аппалачском бассейне свыше 2000 м, Рурском 2500-3000 м, Верхнесилезском 2500-6000 м, Донецком до 18 000 м).
Возраст угля. Изучение сохранившихся в углях остатков растений позволило проследить эволюцию углеобразования от более древних угольных пластов, образованных низшими растениями, до молодых углей и современных торфяных залежей, характеризующихся большим разнообразием высших растений-торфообразователей. Возраст угольного пласта и связанных с ним пород определяют путем определения видового состава остатков содержащихся в угле растений. Самые древние угольные залежи образовались в девонский период, примерно 350 млн. лет назад. Наиболее интенсивное углеобразование происходило в интервале от 345 до 280 млн. лет назад, и поэтому этот период был назван каменноугольным. К нему относится большая часть угленосных бассейнов на востоке и в центральных районах США, в Западной и Восточной Европе, Китае, Индии и Южной Африке. В пермский период (280-235 млн. лет) интенсивное углеобразование происходило в Евразии (угольные бассейны Южного Китая, Кузнецкий и Печорский в России). Мелкие месторождения угля в Европе сформировались в триасовый период. Новый всплеск интенсивности углеобразования пришелся на начало юрского периода (185-132 млн. лет). Примерно 100-65 млн. лет назад, в меловой период, сформировались угольные месторождения Скалистых гор США, Восточной Европы, Центральной Азии и Индокитая. В третичный период, примерно 50 млн. лет назад и позднее, возникли месторождения в основном бурых углей в различных районах США (на севере Великих равнин, севере Тихоокеанского побережья и в прибрежных районах Мексиканского залива), в Японии, Новой Зеландии и Южной Америке, а также в Западной Европе. В Европе и Северной Америке образование торфа происходило в теплые межледниковые периоды и в послеледниковье.
Условия залегания. В результате движений земной коры, в ходе которых происходила смена относительного положения суши и моря, мощные толщи угленосных пород испытывали поднятие и складкообразование. С течением времени приподнятые части толщи (антиклинали) разрушались за счет эрозии, а опущенные (синклинали) сохранялись в широких неглубоких бассейнах, где уголь находится на глубине не менее 900 м от поверхности. Например, в США в Скалистых горах и на севере Тихоокеанского побережья угленосные отложения залегают в основном на глубинах 1200-1850 м и в исключительных случаях достигают глубины 6100 м. В Великобритании, Бельгии, Германии, на Украине и в России (Донбасс) уголь в некоторых местах добывается с глубины более 1200 м. Угольные пласты, продолжающиеся на глубину 5-8 км, в настоящее время разрабатывать нерентабельно.
Угольные пласты. Мощность отдельных угольных пластов колеблется от 10 см до 240 м (как, например, в штате Виктория в Австралии). Пласты мощностью 120 м встречаются в Китае; 60 м в США (шт. Вайоминг) и Германии; 30 м в США (шт. Вайоминг), Канаде (провинция Британская Колумбия) и других районах. Такие мощные пласты обычно занимают небольшую площадь. Чаще всего встречаются пласты толщиной 90-240 см. Они распространяются на большие территории, и с ними связаны значительные запасы добываемого угля. В толщах угленосных пород содержится от двух-трех до нескольких десятков угольных пластов. Например, в США в детально изученной угленосной толще в Западной Виргинии было установлено 117 угольных пластов.
Классификации. Оценка ископаемых углей ведется по трем параметрам: степени метаморфизма, которая определяется как степень изменения содержания углерода в угле; качеству, оцениваемому по содержанию горючего компонента, количеству золообразующих веществ, содержанию влаги, серы и других элементов и по составу ископаемых растений-углеобразователей, химическим преобразованиям, которые произошли в процессе углефикации.
Стадии метаморфизма. Главные классы угля (принятые в США и некоторых европейских странах) по возрастанию стадий метаморфизма включают лигнит (в России лигнит является термином свободного пользования), суббитуминозный уголь, битуминозный уголь и антрацит. Различия в стадии метаморфизма определяются на основе химических анализов, свидетельствующих о последовательном уменьшении влажности и выхода летучих веществ, а также увеличении содержания углерода. От относительного количества влаги, летучих веществ, углерода и теплотворной способности (теплоты сгорания) зависят прочность угля при транспортировке и хранении, а также активность горения. Крупным потребителям необходимо знать свойства различных углей и сравнительную стоимость добычи и транспортировки различных категорий угля, чтобы решить, какая категория в наибольшей мере удовлетворяет их нужды. Лигнит имеет отчетливую волокнистую структуру древесины, чаще светло-коричневый и коричневый, реже черный цвет. По свойствам и составу отличается от настоящего бурого угля, который встречается преимущественно в Канаде и Европе. По сравнению с торфом лигнит содержит меньше воды и отличается более высокой теплотворной способностью. Большинство молодых (недавно образовавшихся) углей представлено лигнитом, но там, где они подверглись высокому давлению или интенсивному тепловому воздействию, их качество более высокое. Суббитуминозный уголь характеризуется черным цветом, незначительным проявлением, а иногда и отсутствием волокнистой древесной структуры, содержит меньше воды и летучих веществ по сравнению с лигнитом и отличается более высокой теплотворной способностью. Суббитуминозный уголь легко выветривается на воздухе и крошится во время транспортировки. Битуминозный уголь отличается черным цветом, относительно низким содержанием влаги и наибольшей теплотворной способностью среди всех углей. В большинстве высокоразвитых стран битуминозный уголь используется в промышленности в больших количествах, чем уголь других категорий, так как у него не снижается качество при транспортировке и он имеет высокую теплотворную способность; кроме того, некоторые разновидности битуминозного угля используются для получения металлургического кокса. Антрацит характеризуется очень высоким содержанием углерода, низкой влажностью и малым выходом летучих компонентов. Он имеет смоляно-черный цвет и при сжигании не дает копоти. Чтобы поджечь антрацит, требуется больше тепла и усилий, но загоревшись, он дает устойчивое, чистое, горячее, голубое пламя и горит дольше, чем уголь более низких стадий метаморфизма. До 1920-х годов антрацит широко использовался для обогрева домов, а затем ему на смену пришли нефть и природный газ.
Сортность. В процессе торфообразования в уголь попадают разные элементы, большая часть которых концентрируется в золе. Когда уголь сгорает, сера и некоторые летучие элементы выделяются в атмосферу. Относительное содержание серы и золообразующих веществ в угле определяют сортность угля (см. таблицу). В высокосортном угле меньше серы и меньше золы, чем в низкосортном, поэтому он пользуется большим спросом и дороже.
КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕЙ ПО СОРТНОСТИСорт определяется качеством угля, а не стадией углефикации, характеризующей степень его изменения. Уголь низкой стадии углефикации, например лигнит, может быть высокого сорта, а высокой стадии, например антрацит, низкосортным. Количество содержащихся в угле золообразующих веществ (минеральная составляющая) может изменяться от 1 до 50 весовых процентов, но для большинства углей, используемых в промышленности, оно составляет 2-12%. Золообразующие вещества дают дополнительный вес, что удорожает транспортировку угля. Кроме того, часть золы попадает в воздух и загрязняет его. Некоторые компоненты золы спекаются с образованием шлака на колосниковых решетках и затрудняют горение. Хотя содержание серы в углях может меняться от 1 до 10%, в большинстве углей, используемых в промышленности, ее содержание составляет 1-5%. Однако примеси серы нежелательны даже в небольших количествах. Когда уголь сгорает, большая часть серы выделяется в атмосферу в виде вредных загрязняющих веществ оксидов серы. Кроме того, примесь серы оказывает негативное влияние на качество кокса и стали, выплавленной на основе использования такого кокса. Соединяясь с кислородом и водой, сера образует серную кислоту, корродирующую механизмы работающих на угле тепловых электростанций. Серная кислота присутствует в шахтных водах, просачивающихся из отработанных выработок, в шахтных и вскрышных отвалах, загрязняя окружающую среду и препятствуя развитию растительности.
Ресурсы. Общие мировые ресурсы угля, т.е. количество угля, которое находилось в недрах до того, как его начали добывать, оцениваются суммарной величиной более 15 000 млрд. т; из них примерно половина доступна для добычи. Основная масса мировых ресурсов угля находится в Азии и сосредоточена преимущественно в России и Китае, которые являются крупнейшими производителями угля. Северная Америка и Западная Европа занимают соответственно второе и третье места по ресурсам угля и также являются весьма крупными производителями.
ДОБЫЧА УГЛЯ
Уголь разрабатывают открытым (карьерами) и подземным (шахтами и штольнями) способами. Выбор способа ведения горнодобывающих работ зависит в основном от расположения угольного пласта относительно земной поверхности. Разработка открытым способом обычно ведется при глубине его залегания не более 100 м. В зависимости от направления подхода к угольному пласту различают способы вскрытия месторождения: штольней (горизонтальной подземной выработкой) и вертикальными или наклонными шахтными стволами. Иногда уголь добывают из месторождений, простирающихся далеко в море. Подводная добыча угля ведется в Канаде, Чили, Японии и Великобритании.
Вопрос-ответ:
