Способ залегания каменного угля

Уголь: свойства, способы переработки, применение

Уголь представляет собой полезный минерал, используемый в качестве топлива, а также сырья для ряда отраслей промышленности.

Современная теория углеобразования называет в качестве источников возникновения угля, накопившиеся в болотах растения; а также битумные массы, излившиеся на поверхность Земли в результате происходивших тектонических процессов. Те и другие постепенно опускались вглубь земных недр, где под воздействием высокого давления и температуры, без доступа кислорода, они подвергались структурным изменениям. Предположительно, процесс происходил в девонский, каменноугольный и пермский периоды палеозойской эпохи, примерно 300-400 миллионов лет назад. Исходным материалом для формирования угольных пластов выступал торф.

Некоторым подтверждением данной теории является факт добычи трёх основных видов углей, извлекаемых из разно уровневых глубин земной коры и имеющих различные степени фаз углеобразования – углефикации:

• Низшая. Бурый уголь. Полезное ископаемое, содержащее значительное количество летучих веществ и воды, а поэтому имеющий низкую теплоту сгорания 13-25 МДж/кг. Глубина залегания составляет 1 км.
• Средняя. Каменный уголь. Наиболее распространённый среди углей вид энергетического топлива, обладающий теплотой сгорания 27 МДж/кг. По сравнению с бурым углём имеет более низкое содержание воды, и залегает на глубинах до 3 км.
• Высшая. Антрацит. Содержит максимальное количество углерода, поэтому теплота сгорания располагается в пределах: 26,8 – 34,8 МДж/кг. Залежи этого полезного ископаемого размещены глубоко под землёй (до 5 км внутрь земной коры). Благодаря этому содержание воды в составе минерала не превышает 3%.

Добыча угля

Процесс угледобычи достаточно сложен в плане технологии и требует больших затрат для привлечения техники и ресурсов. Современная индустрия располагает тремя основными способами добычи этого полезного ископаемого:

• Карьерным, посредством организации разреза.
• Шахтным методом. С помощью строительства ряда подземных сооружений.
• Гидравлическим. С использованием жидкостных струй, как в качестве разрушителей пластов, так и в качестве транспортирующего материала.

Шахтный способ

Один из наиболее старых и высокотехнологичных для настоящего времени методов добычи полезных ископаемых. При глубинном залегании угля (свыше 500 метров под землей) вскрышные работы потребуют колоссальных затрат. Поэтому наиболее рентабельным является сооружение шахты с последующей прокладкой горизонтальных проходов.

После организации технологического процесса: укрепления стен и прокладки рельсов, обеспечения вентиляции и удаления воды, запуска в работу проходческих врубовых и очистных комбайнов, начинается добыча угля и транспортировка его на поверхность.

Шахтный способ достаточно дорог и небезопасен, хотя и обеспечивает большие объёмы выработки высококачественного сырья, не нанося существенного экологического ущерба окружающей среде.

Карьерный способ

Способ, используемый в случаях неглубоко залегания пород (до 500 метров в глубину недр).

С помощью гусеничных или рельсовых драглайнов (кранов со стрелой и ковшом) производится первичное вскрытие грунта с последующей транспортировкой его в близлежащие отвалы. После чего уголь извлекается и отправляется на переработку и обогащение. Когда месторождение полностью осваивается, происходит обратный процесс возвращения пустой породы на место изъятия. Территория благоустраивается и озеленяется, чтобы в последующем гармонично вписаться в окружающий ландшафт.

Недостатком метода является низкое качество добываемых углей и наносимый природе значительный экологический ущерб.

Переработка и обогащение угля

Так как ископаемые угли содержат в своём составе ряд минеральных примесей, а требования к качеству энергетического топлива резко возрастает, то возникает необходимость дополнительной очистки добытого полезного ископаемого. Это процесс носит название обогащения.

Переработка представляет собой ряд технологий, предназначенных для превращения обогащённого угля в высококачественное топливо. В её основе лежат методы:

• Пиролиза или коксования, то есть высокотемпературного нагрева без доступа воздуха.
• Полукоксования – низкотемпературного коксования.
• Деструктивной гидрогенизации – процесса получения «синтетической нефти» под воздействием водорода при температуре в 400-500 0 C.
• Газификации – перевода твёрдого угля в газ посредством высокотемпературного нагрева с присутствием продуктов разделения воздуха: водорода, кислорода, углекислого газа и водяного пара.
• Плазмохимической переработки – перспективнейшего способа, позволяющего получать жидкое топливо и ряд особо ценных химических соединений в виде кремнийсодержащих веществ и ферросилиция.

Подготовка

Первичный этап обогащения, выполняемый на горно-обогатительных фабриках, целью которого является выявление компонентов, содержащих уголь и доведение их до нужного уровня крупности.

Происходит это при помощи:

• Грохотов – устройств, содержащих в себе короба с ситами или решётки с отверстиями заранее заданных размеров.
• Классификаторов – агрегатов разделения угля на фракции в жидкой среде, посредством всплытия мелких лёгких частиц и оседания более крупных и тяжёлых.
• Дробилок – установок измельчения.

В результате чего получаются стандартные по уровню крупности виды угля:

• размерами более 100 мм – плитный;
• 50-100 мм – крупный;
• 26-50 мм – орех;
• 13-25 мм – мелкий;
• 6-13 мм – семечко;
• меньше 6 мм – штыб.

Уголь нестандартных размеров носит название рядового.

«Простое» обогащение

Метод включает в себя ручной отбор кусков нужного вида или размеров, а также отсеивание с помощью скольжения и падения с наклонной плоскости.

Флотация

Способ, основанный на всплытии в жидкой среде пены, образованной частицами, покрытыми жирными продуктами переработки углеводородов (реагентами) с прилипающими к ним воздушными пузырьками. Образовавшийся минерализованный пенный слой удаляют, очищают, высушивают и используют в качестве угольного концентрата.

Гравитационное обогащение

Данный вид обогащения использует различие физических свойств частиц, имеющих разнообразную плотность и геометрические размеры. Понятно, что столь неодинаковые в весе и габаритах куски породы будут приобретать различную скорость движения в жидкости или воздухе. В результате чего в первичный продукт разделяется на концентрат и отходы – миксты. Отходы могут быть отправлены на повторное обогащение или использованы в качестве низкокалорийного топлива.

Применение

В энергетике

Три четверти мировой добычи угля расходуется на энергетические цели. Половина данного направления использования этого вида топлива сгорает в топках котлов тепловых электростанций, существенная часть обеспечивает жилищно-коммунальные нужды, в меньшей степени уголь сжигают котельные отдельных районов и промышленных предприятий.

Ещё совсем недавно самое распространённое на Земле топливо, играло ведущую роль в мировой экономике. Сегодня позиция угля несколько потеснили природный газ и нефть. Хотя и сейчас 40% электроэнергии вырабатывается за счёт сжигания угля, а в Индии и Китае этот показатель доходит до 75%, в южных странах Африки – до 94%.

Основными недостатками использования данного вида топлива являются:

• Огромный расход ресурса. Чтобы выработать 1000 МВт электроэнергии, требуется 9000 тонн угля. Фактически – это гигантский железнодорожный состав из 90 вагонов, ёмкостью по 100 тонн каждый!
• Загрязнение воздуха серой и оксидом азота. В процессе сжигания угля выделяется к тому же метан и углекислый газ. Учитывая тот фактор, что в качестве энергетического топлива в значительной степени выступают низкосортные марки этого полезного ископаемого, проблема усугубляется.
• Необходимость удаления и утилизации золы, что наталкивается на серьёзные технологические и финансовые проблемы.
• Использование больших объёмов воды, которые в последующем необходимо тщательно очищать. Но даже в этом случае наносится существенный вред окружающей природной среде.

В строительстве

Строительная отрасль использует этот природный ресурс по нескольким направлениям.

Прежде всего, уголь находит применение в процессе производства строительных материалов: цемента, известняка, глинозёма. Кроме того, отходы переработки и сжигания этого минерала активно употребляются в качестве заполнителей при выполнении земляных работ, а также – для изготовления кровельных, облицовочных, стеновых материалов. Также имеет место использование этого материала в качестве гигроскопического средства, позволяющего нейтрализовать вредные запахи и нормализовать уровень влажности в помещениях.

В медицине

Медицинский аспект применения активированного угля основан на его свойствах – связывать и выводить из организма яды и вредные вещества, что является крайне необходимым при целом ряде заболеваний и отравлений.

В дополнение к этому можно отметить его фильтрующие свойства при очистке воды и воздуха.

Месторождение в России и мире

Десятка крупнейших мировых месторождений угля выглядит следующим образом:

• Тунгусский бассейн с запасами в 2,299 трлн. тонн занимает в списке первое место. Россия. Иркутская область, Красноярский край, Республика Саха (Якутия).
• Ленский бассейн площадью 750 тыс. км 2 с запасами в 1,647 трлн. тонн располагается на втором месте. Россия. Центральноякутская низменность.
• Канско-Ачинский бассейн с 638 млрд. тонн и протяжённостью в 800 км по Транссибу занимает в списке третье место. Россия. Красноярский край, Иркутская и Кемеровская области.
• Кузбасс – 635 млрд. тонн. Россия. Кемеровская область, Алтайский край, Новосибирская область.
• Иллинойский бассейн – 365 млрд. тонн. Площадь бассейна составляет 122 тыс. км 2 . США. Штаты Иллинойс, Кентукки, Индиана. 9 пластов, из которых 2 дают 90% продукции: «Харрисбург», «Херрин».
• Рурский бассейн – 287 млрд. тонн, 6,2 тыс. км 2 . Германия. Один из старейших угольных районов мира, где добыча началась ещё в XIII веке.
• Аппалачский бассейн – 284 млрд. тонн, 180 тыс. км 2 . США. Штаты: Алабама, Западная Виргиния, Кентукки, Мэриленд, Огайо, Пенсильвания.
• Печорский бассейн – 265 млрд. тонн, 90 км 2 . Россия. Ненецкий АО и Республика Коми.
• Таймырский бассейн – 217 млрд. тонн, 80 тыс. км 2 . Россия. Полуостров Таймыр.
• Донбасс – 141 млрд. тонн, 60 тыс. км 2 . Украина, Россия, ДНР и ЛНР.

Всего в мире насчитывается 50 месторождений, ведущих активную угледобычу.

Запасы угля в России

Общие геологические запасы угля на территории Российской Федерации оцениваются в 4 трлн. тонн. Это одна треть мировых запасов. Однако значительная их часть располагается в районах вечной мерзлоты и недоступна к разработке.

Утверждённой в 2020 году программой развития угольной промышленности России, предусматривается увеличение добычи этого природного полезного ископаемого с 435 млн. тонн в 2018 году до 485 млн. тонн, а в дальнейшем – до 668 млн. тонн ежегодно.

Страны, добывающие уголь

Лидерами по объёмам добычи угля, согласно данным «Статистического обзора мировой энергетики», в 2019 году стали:

• Китай – 3 846 млн. тонн.
• Индия – 756,4 млн. тонн.
• США – 639,8 млн. тонн.
• Индонезия – 610,0 млн. тонн.
• Австралия – 506,7 млн. тонн.
• Россия – 440 млн. тонн.
• ЮАР – 254,3 млн. тонн.
• Германия – 133,9 млн. тонн.
• Казахстан – 115,4 млн. тонн.
• Польша – 112,4 млн. тонн.

Источник

Способ залегания каменного угля

Каменным углём называют осадочную породу, образующуюся при разложении остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). Основные запасы каменного угля, добывающегося в настоящее время, образовались в период палеозоя, около 300-350 миллионов лет назад. Каменный уголь добывается уже несколько столетий и является одним из наиболее важных полезных ископаемых. Используется в качестве твёрдого топлива.

Каменный уголь состоит из смеси высокомолекулярных ароматических соединений (преимущественно углерода), а также воды и летучих веществ с небольшим количеством примесей. В зависимости от состава угля меняется и количество теплоты, выделяющееся при его сгорании, а также количество образующейся золы. От этого соотношения зависит ценность угля и его месторождений.

Для образования полезного ископаемого также необходимо было соблюдение следующего условия: гниющий растительный материал должен был накапливаться быстрее, чем происходило его разложение. Именно поэтому каменный уголь образовывался в основном на древних торфяных болотах, где накапливались углеродные соединения, а доступ кислорода практически отсутствовал. Исходным материалом для возникновения угля является, собственно, сам торф, который также некоторое время использовался в качестве топлива. Уголь же образовался в том случае, если пласты торфа оказывались под другими наносами. Торф при этом спрессовывался, терял газы и воду, в результате чего образовывался уголь.

Каменный уголь возникает при залегании пластов торфа на значительной глубине обычно более 3 км. На более значительной глубине образуется антрацит – высший сорт каменного угля. Однако это не означает, что все угольные месторождения расположены на большой глубине. Со временем под действием тектонических процессов различной направленности некоторые пласты испытывали поднятие, в результате чего оказывались ближе к поверхности.

От того, на какой глубине находятся угленосные породы, зависит и способ добычи угля. Если уголь залегает на глубине до 100 метров, то добыча обычно ведётся открытым способом. Так называется снятие верхнего слоя земли над месторождением, при котором полезное ископаемое оказывается на поверхности. Для добычи с большой глубины используется шахтовый метод, при котором доступ к полезном ископаемым осуществляется посредством создания специальных подземных ходов – шахт. Самые глубокие угольные шахты в России находятся на расстоянии около 1200 метров от поверхности.

Наиболее крупные месторождения каменного угля в России

Эльгинское месторождение (Саха)

Это угольное месторождение, находящееся на юго-востоке Республики Саха (Якутия) в 415 км к востоку от города Нерюнгри, является наиболее перспективным для открытой разработки. Площадь месторождения составляет 246 км². Месторождение представляет собой пологую асимметричную складку.

Угленосными являются отложения верхней юры и нижнего мела. Основные угольные пласты находятся в отложениях нерюнгринской (6 пластов мощностью 0,7-17 м) и ундыктанской (18 пластов мощностью также 0,7-17 м) свит.

Угли здесь в основном полублестящие с очень высоким содержанием наиболее ценного компонента — витринита (78-98 %), средне- и высокозольные, малосернистые, малофосфористые, хорошо спекающиеся, с высокой теплотой сгорания. Эльгинский уголь с помощью специальной технологии можно обогатить, что позволит получить продукт более высокого качества, отвечающего мировым стандартам. Мощные пологие пласты угля перекрываются отложениями небольшой мощности, что очень важно для добычи открытым способом.

Элегестское месторождение (Тува)

Расположено в Республике Тува. Это месторождение обладает запасами около 20 миллиардов тонн. Большая часть запасов (около 80%) находится в одном пласте толщиной 6,4 м. Освоение этого месторождения в настоящее время продолжается, поэтому наибольшей мощности добыча угля здесь должна достигнуть примерно в 2012 году.

Крупные месторождения угля (площадь которых составляет тысячи км²) называют угольными бассейнами. Обычно такие месторождения находятся в какой-либо крупной тектонической структуре (например, прогибе). Однако не все месторождения находящиеся поблизости друг от друга принято объединять в бассейны, и иногда они рассматриваются как отдельные месторождения. Происходит это обычно по исторически сложившимся представлениям (месторождения открыты в разные периоды).

Крупные угольные бассейны России:

Минусинский угольный бассейн располагается в Минусинской котловине в Республике Хакасия. Добыча угля здесь началась ещё в 1904 году. К наиболее крупным месторождениям относятся Черногорское и Изыхское. По оценкам геологов, запасы угля на данной территории составляют 2,7 миллиарда тонн. В бассейне преобладают каменные длиннопламенные угли с высокой теплотой сгорания. Угли относятся к среднезольным. Максимальная зольность характерна для углей Изыхского месторождения, минимальная – для углей Бейского месторождения. Добыча угля в бассейне ведётся разными способами: существуют как разрезы, так и шахты.

Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс) – одно из крупнейших угольных месторождений мира. Кузбасс располагается на юге Западной Сибири в неглубокой котловине между горными массивами Кузнецкого Алатау, Горной Шории и Салаирским кряжем. Это территория Кемеровской области. Сокращение «Кузбасс» является вторым названием области. Первое месторождение в районе Кемерово было открыто в далёком 1721 году, а в 1842 году геологом Чихачёвым был введён термин «Кузнецкий угольный бассейн».

Добыча здесь также ведётся разными способами. На территории бассейна располагается 58 шахт и более 30 разрезов. По качеству угли «Кузбасса» разнообразны и относятся к числу лучших углей.

Угленосная толща Кузнецкого угольного бассейна состоит примерно из 260 угольных пластов различной мощности, неравномерно распределённых по разрезу. Преобладающая мощность пластов угля от 1,3 до 4,0 м, но имеются и более мощные пласты в 9-15 и даже в 20 м, а в некоторых местах до 30 м.

Максимальная глубина угольных шахт не превышает 500 м (средняя глубина около 200 м). Средняя мощность разрабатываемых угольных пластов 2,1 м, но до 25 % шахтной добычи угля приходится на пласты свыше 6,5 м.

Источник