Как добывается уголь подземным способ

Как добывают уголь? Способы добычи угля, фото и видео

Угольное топливо человек использует с древних времён. Его горючесть и теплоотдача, длительность сохранения тепла в очаге стали спасением людей в холодные периоды, которые циклично сменяли друг друга на нашей планете. Уголь активно используется и в нынешние времена, в топливно-энергетическом комплексе он состоит в первой тройке сырья наряду с нефтью и газом.

Как образовывались угольные залежи?

Образовались угольные залежи на местах огромных зелёных массивов. Это древняя органика, которая осталась после гибели древесных насаждений. Для того, чтобы погибшие растения стали углём необходимы определённые условия: древесные остатки не должны сгнить под воздействием бактерий. Это возможно только при попадании их под болотную воду, а затем под землю, куда не поступает кислород. Уголь считается полезным ископаемым, добываемым из пластов горных пород, залегающих на различной глубине.

Как находят и разрабатывают угольные месторождения?

Места, где есть уголь, на планете уже давно разведаны. Его запасы в разных странах огромные, их хватит для нужд отопления и промышленности почти на три века. Но по оценкам геологов, их может быть больше, поскольку не во всех частях света проводились глубинные геолого-поисковые работы на предмет наличия угольного топлива. Разработка угольных месторождений актуальна и приносит ощутимый доход государствам, которые занимаются добычей этого твёрдого чёрного золота. Процесс разработки залежей ведётся в зависимости от рельефа местности и глубины залегания угольных пластов.

Способы добычи угля

Открытый способ

Открытый способ — это угольные разрезы которые, как правило, имеют огромные размеры и внушительную глубину. Процесс представляет собой вскрытие верхних слоёв земной коры, под которыми находится угольная залежь. Снимается крыша с помощью драглайнов — экскаваторов большой мощности. На открывшемся срезе начинают работать роторные экскаваторы, которые извлекают полезные ископаемые с помощью ковшей. Затем идёт погрузка в вагоны или грузовики.

Подземная добыча

Подземная добыча — это устройство шахт, ведущих в огромные угольные бассейны. Они имеют множество разветвлений, бывают многоярусными. Эффективность таких выработок намного выше, чем на разрезах, уголь добывается более качественный, потому что в нём меньше примесей. Но такой метод является опасным, поскольку возможны выходы газа, подтопления, обвалы.

Гидравлический способ добычи угля

Гидравлический способ разработки угольных месторождений считается самым современным. Его стали применять сравнительно недавно в 30 годы прошлого века. Но он оптимально заменяет опасный труд шахтёров, поскольку уголь наверх из забоя подаётся с помощью водного потока под давлением. Для этого используется специальное оборудование — гидромониторы и насосы. Струя воды и откалывает уголь, и транспортирует его по системе труб или желобов в штреках. При этом используются грунтовые воды, что экономит средства, затрачиваемые на процесс добычи.

Самым экономичным способом считается открытая добыча, дорогостоящим — шахтный метод, среднезатратной разработкой и перспективной для будущего специалисты называют гидравлическую технологию.

Разновидности угля

Превращение древесных отложений в уголь проходит две стадии. Сначала образуется торф, а из него — уголь. Углефикация — это отвердение торфа на дне болот под воздействием высоких температур давления и длительного временного периода. Становясь полезным ископаемым угольные породы вбирают в себя газы, влагу, углерод. В зависимости от возраста (степени углефикации) и содержащихся компонентов уголь бывает разных видов.

Лигнит (бурый уголь)

Лигнит (бурый уголь) — первой степени углефикации — от бурого до чёрного цвета, волокнистый, хорошо горит в промышленных печах, но для отопления домов малопригоден; каменные угли (суббитуминозные и битуминозные) с маловолокнистой структурой, высокотеплотворные, применяются в энергетике и в жилищно-коммунальном хозяйстве.

Антрацит и графит

Антрацит — имеет черный смолистый цвет, самое высокое содержание углерода и высокую теплотворность, является лучшим сырьём для отопления; Графит это древесный пористый уголь.

Запасы угля в России

Россия обладает 5,5% мировых запасов угля. На нашей территории есть все его разновидности, самыми перспективными угольными бассейнами являются Кузбасс, Канско-Ачинский, Печорский, Донецкий (Ростовская область), Иркутско-Черемховский, Южно-Якутский. Начинают активно разрабатываться угольные месторождения Приморья, Забайкалья и Новосибирской области.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Как добывается уголь подземным способ

Древесный уголь формировался в недрах Земли сотни миллионов лет и стал ключевым фактором промышленной революции, преобразившей мировую экономику за последние два столетия. Преимущества этого топлива заставили закрыть глаза на его недостатки — ущерб, который наносит природе сжигание угля. Готовы ли мы к переходу на более чистые виды горючего?

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №6(34). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

История формирования угольных пластов насчитывает сотни миллионов лет. Началась она, когда климат на Земле был влажным и жарким, растения чувствовали себя вольготно и распространились зелёным ковром по всей планете, аккумулировав миллиарды тонн трансформированной солнечной энергии. Отмирая, часть опавшей зелёной массы попадала в воду, где специфические микроорганизмы в условиях дефицита кислорода превращали её в торф — первую эволюционную фазу в процессе формирования ископаемого угля. Затем обширные торфяные болота медленно опускались под землю, а сверху накапливались песок, глина и иные горные породы.

Формирование угля

Уголь образовался миллионы лет назад, когда земля была покрыта огромными болотистыми лесами, где росли гигантские папоротники, тростники и мхи. Погибая, растения наслаивались в болотных водах. В нижних слоях под давлением верхних начались физико-химические процессы формирования угля. Самые первые залежи образовались приблизительно 350 млн лет назад в девонский период. Этап, который тогда начался и закончился около 280 млн лет назад, называют каменноугольным, потому что именно тогда происходило активное углеобразование.

В торфе тем временем росли температура и давление, газы испарялись, вода уходила, и начинался процесс превращения в уголь — карбонизация. Сначала образуется наименее ценный продукт — ­бурый уголь, в нём около 63% углерода. Этот сорт угля относительно молодой (около 50 млн лет), поэтому в его толще можно найти остатки древних растений. Он залегает на глубине от 100 до 200 м, горит с незначительным выделением тепла, при этом сильно дымит. Килограмм бурого угля может содержать до 19 000 кДж — этой энергии хватит, чтобы вскипятить 30 л воды. За 50 млн лет слой опавшей растительности толщиной в 1 км в результате преобразований сжимается до двухметрового пласта ­бурого угля.

Дальнейшие метаморфозы приводят к образованию непосредственно каменного угля. Пласт толщиной в 2 м получается уже из трёхкилометрового слоя опавших растений. Концентрация углерода здесь может достигать 94%, и это делает каменный уголь отличным топливом с высокой теплотой сгорания (энергоёмкостью более 25 000 кДж/кг). В структуре каменного угля нет растительных частей — они полностью разрушились, ведь возраст этой осадочной горной породы около 350 млн лет.

Наконец, самым ценным и древним продуктом угольного ряда по праву считается антрацит: содержание углерода в нём превышает 95%, а энергоёмкость составляет более 36 000 кДж/кг! Этот высококачественный уголь описал в 1725 году английский геолог Джон ­Стречи, и именно описанные им залежи на юго-западе Англии стали энергетической основой промышленной революции, ознаменовавшей переход от ручного труда к машинному. Каменный уголь и антрацит применяли для выплавки чугуна с середины XVIII века, а с начала XIX века они стали основным топливом для паровозов и пароходов.

При нагревании до 800–1100 °С без доступа воздуха уголь превращается в кокс. Твёрдый и пористый кокс при высокой температуре (гораздо выше, чем требуется для антрацита) горит без пламени и дыма. Кокс стали использовать при выплавке чугуна, причём не только в качестве топлива, но и как восстановитель — он отнимает у железной руды кислород, превращая её в железо:

Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO

Уголь и кокс безусловно способствовали ­сохранению лесов, которые могли быть вырублены человеком, нуждавшимся в топливе.

Газообразным продуктам коксования, занимающим до 20% от исходной массы угля, также нашли применение. Их охлаждают и пропускают через воду, в результате получается очень ценное сырьё — аммиачная вода и каменноугольная смола. Но и это ещё не всё. Оставшийся нерастворённый коксовый газ состоит из горючих веществ: водорода (45%), метана (35%) и угарного газа (35%). Такой коктейль горит светящимся пламенем и долгое время использовался для уличного освещения, несмотря на ядовитый компонент — CO.

Применение ископаемого угля

В начале 2000‑х в мире потреблялось 3,6 млрд тонн угля в год, из них около 3 млрд уходило на производство электроэнергии, а остальное — на получение кокса. 40% всей электроэнергии производится путём сжигания угля, при этом 70% стали выплавляется за счёт энергии кокса. Несмотря на экологические проблемы, связанные с горением угля (большое количество оксидов углерода, сажи и даже радиоактивное заражение), снижать потребление этого ископаемого не планируют. Более того, за следующую пару десятилетий его собираются увеличить на 1 млрд тонн в год.

Тысячи разных соединений скрыты только в одном продукте коксования — каменноугольной смоле. Исследуя её, немецкий химик Фридлиб Фердинанд Рунге в 1834 году открыл несколько органических соединений, в том числе фенол, пиррол, хинолин и анилин. В настоящее время все эти вещества интенсивно применяются в химической промышленности. К примеру, из хинолина делают лекарственные препараты и красители. Из каменноугольной аммиачной воды получают аммиак — один из основных компонентов аммиачно-фосфорных и азотных удобрений.

Как добывают уголь

Гигантские экскаваторы на угольной шахте открытого карьера

Открытым способом, когда удаляют верхние горные породы и на суперсамосвалах вывозят из карьера полезное ископаемое, добывают 40% мирового угля. В 1983 году в США был открыт крупнейший в мире угольный разрез Норт-Антелоуп-Рошель: его площадь — 260 кв. км, запасы угля оцениваются в 2,3 млрд тонн. Можно сказать, что угольный разрез — это территория монстров: самые большие карьерные экскаваторы и самосвалы работают в этих искусственных впадинах.

Бурильная установка в подземной угольной шахте

Второй способ, менее разрушительный для окружающей среды, — это шахты, уходящие под землю на сотни и даже тысячи метров. Такая добыча гораздо опаснее для людей, которые там работают (из-за затопления и выброса метана нередко происходят аварии), но позволяет извлекать более качественный уголь и, как уже говорилось, наносит меньший ущерб природе. Самые глубокие угольные шахты в мире расположены в Донбассе на Украине. Добыча каменного угля не прекратится в ближайшие десятилетия и, очевидно, продолжится в XXII веке: запасы «подземных лесов» кажутся неисчерпаемыми.

Угольный пласт высотой 25 метров на открытом угольном разрезе Норт-Антелоуп-Рошель

По оценкам экспертов, запасы угля в несколько раз превышают нефтяные ресурсы, поэтому учёные ещё в первой половине XX века начали думать, как получить синтетическое жидкое топливо из твёрдых углеводородов. Первые технологии появились в тридцатые — сороковые годы в Германии и долгое время эффективно использовались, однако позже, в связи с открытием нефтяных месторождений в Сибири и на Ближнем Востоке, ушли на второй план.

Коксование и переработка каменноугольной смолы для получения жидкого топлива из угля оказались не лучшим решением. Выход продукта слишком мал, а энергетические затраты велики. Более эффективен процесс газификации угля — его можно осуществлять даже не поднимая уголь на поверхность. Для этого бурят скважину до угольного пласта, создают на глубине очаг горения и собирают поступающий по трубам горючий газ. Если к очагу горения в скважине подавать воздух или паровоздушную смесь, то на выходе получится синтез-газ, состоящий преимущественно из моноокиси углерода и водорода. Процесс газификации угля можно описать уравнением:

C + H₂O —> H₂ + CO

Этот газ можно использовать как топливо в электростанциях, а также в качестве сырья для производственного процесса Фишера — Тропша. В 1925 году директор немецкого Института кайзера Вильгельма по исследованию угля ­Франц Фишер и его коллега Ханс Тропш получили жидкое моторное топливо из синтез-газа. Монооксид углерода восстанавливается водородом при нормальном давлении и температуре около 270 °С в присутствии специфических катализаторов. В итоге получается жидкая смесь углеводородов, которую после очистки можно использовать в качестве моторного топлива. Во время Второй мировой войны Германия, бедная нефтью, но богатая углём, синтезировала таким способом топливо для боевых машин.

Франц Фишер и Ханс Тропш

Процессом Фишера — Тропша называется набор химических реакций, в ходе которого смесь угарного газа и водорода превращается в жидкие углеводороды. Реакции протекают в присутствии определённых металлических катализаторов при температурах 150–300 °С и давлениях 1–10 атмосфер. В годы после Второй мировой войны синтезу ­Фишера — Тропша уделяли пристальное внимание во всём мире. Считалось, что запасы нефти подходят к концу, и надо искать другие источники топлива.

Следующий способ получения жидкого топлива — это деструктивная гидрогенизация угля. Под давлением 200–700 атмосфер в присутствии катализаторов на основе железа, вольфрама и молибдена происходит термическое разложение. В результате практически все органические вещества угля превращаются в газообразные и жидкие продукты. Далее следует гидрокрекинг — расщепление тяжёлых молекул на лёгкие и образование насыщенных углеводородов. Самое удобное сырьё для получения синтетического топлива и моторного масла — это бурый уголь: в нём больше всего органического вещества. На последнем этапе из топлива удаляют примеси воды, аммиака и сероводорода.

В последнее время для деструкции угля применяют гамма-лучи — это значительно ускоряет процесс и снижает выбросы углекислого газа в атмосферу.

Люди используют ископаемый уголь многие столетия, и неудивительно, что ему посвящён целый научный раздел — углехимия, которая открывает новые горизонты применения этого ценного природного ресурса. Так, обнадёживают данные о высокой концентрации в угольных пластах ряда элементов: U, Au, Ag, W и др. Вкупе с технологиями глубокой переработки это позволит человечеству уменьшить неблагоприятное для природы сжигание угля в печах теплоэлектростанций.

Источник