Каменный уголь

КАМЕННЫЙ УГОЛЬ (а. black, bitouminous, mineral соal; н. Steinkohle; ф. houille, charbon mineral; и. hulla, carbon de piedra) — твёрдое горючее полезное ископаемое растительного происхождения — разновидность углей ископаемых, промежуточная между бурым углём и антрацитом. Каменный уголь — плотная порода чёрного иногда cepo-чёрного цвета, дающая на фарфоровой пластинке чёрную черту. В органическом веществе содержится 75-92% углерода, 2,5-5,7% водорода, 1,5-15% кислорода. Высшая теплота сгорания в пересчёте на сухое беззольное состояние 30,5-36,8 МДж/кг. Большинство каменных углей относится к гумолитам; сапропелиты и гумитосапропелиты присутствуют в виде линз или небольших прослоев.

Образование каменных углей характерно почти для всех геологических систем — от девона до неогена (включительно); широкое распространение они получили в карбоне, перми, юре (карта).

Залегают каменные угли в форме пластов и линзовидных залежей различной мощности (от долей метров до нескольких десятков и сотен метров) на разных глубинах (от выходов на поверхность до 2500 м и глубже). Каменные угли образуются из продуктов разложения органических остатков высших растений, претерпевших изменения (метаморфизм) в условиях давления окружающих пород земной коры и сравнительно высокой температуры.

Каменный уголь характеризуется нейтральным составом органической массы. Они не реагируют со слабыми щелочами ни в обычных условиях, ни под давлением. Их битумы в отличие от бурых углей представлены преимущественно соединениями ароматической структуры. В них не обнаружены жирные кислоты и сложные эфиры, малое значение имеют соединения со структурой парафинов. Каменные угли разделяются на блестящие, полублестящие, полуматовые, матовые. В зависимости от преобладания тех или иных петрографических компонентов выделяют витреновые, клареновые, дюрено-клареновые, кларено-дюреновые, дюреновые и фюзеновые каменные угли. Пласты угля могут быть сложены одним из указанных литотипов, чаще их чередованием (т.н. полосчатые угли). Как правило, блестящие разности угля малозольны вследствие незначительного содержания минеральных примесей.

Среди структур преобладающего вещества углей (углеобразующих микрокомпонентов) выделено 4 типа (телинитовая, посттелинитовая, преколлинитовая и коллинитовая), являющихся последовательными стадиями единого процесса разложения лигнино-целлюлозных тканей и отражающие общие закономерности образования угленосных формаций. Основные единицы классификации каменных углей — генетические группы, устанавливаемые по структуре вещества углеобразующих микрокомпонентов, куда кроме упомянутых 4 типов дополнительно включены лейптинитовые угли. Таким образом, выделено 5 генетических групп. Каждая из них по типу вещества углеобразующих микрокомпонентов разделена на соответствующие классы.

В условиях повышения давления и температуры при погружении угленосной толщи на глубину происходит последовательное преобразование органической части каменных углей — изменение его химические состава, физических свойств и внутримолекулярного строения, определяемое термином "региональный метаморфизм угля". На конечной (высшей) стадии метаморфизма каменные угли преобразуются в антрациты и с отчётливо выраженной кристаллической структурой графиты. Менее распространены преобразования органической части каменных углей от воздействия на них тепла изверженных пород, внедрившихся в угленосные толщи или перекрывающие (подстилающие) их отложения (термальный метаморфизм), а также непосредственно в угольные пласты (контактовый метаморфизм). Возрастание степени метаморфизма в органическом веществе каменных углей вызывается последовательным увеличением относительного содержания углерода и уменьшением содержания кислорода и водорода. Последовательно снижается выход летучих веществ (от 50 до 8% в пересчёте на сухое беззольное состояние); изменяются также теплота сгорания, способность спекаться (см. Кокс) и физические свойства угля.

Изменение физических свойств каменных углей в результате их метаморфизма проявляется по линейному, зависимому от уплотнения вещества, или параболическим законам с инверсией в углях средней стадии метаморфизма, отражающей изменения в структуре органического вещества. По линейному закону изменяются блеск, отражательная способность витринита, насыпная масса углей и другие свойства. Остальные важные физические свойства (пористость, плотность, спекаемость, теплота сгорания, упругие свойства и пр.) изменяются либо отчётливо по параболическому закону, либо по смешанному, когда изменение свойств происходит лишь при переходе угля к стадии тощих (микротвёрдость, электропроводность и др.).

В качестве оптического критерия степени метаморфизма углей используется показатель отражательной способности витринита; этот показатель применяется и в нефтяной геологии для установления стадии катагенного преобразования осадочной толщи, вмещающей органические вещество. Отражательная способность витринита в масляной иммерсии (R0) последовательно возрастает от 0,5-0,65% для углей марки Д до 2-2,5% в углях марки Т. Плотность каменных углей зависит от петрографического состава, количественного содержания и характера минеральных примесей и степени метаморфизма. Наибольшей плотностью (1300-1500 кг/м³) характеризуются компоненты группы фюзинита, наименьшей (1280-1300 кг/м³) — группы витринита. Изменение плотности с повышением степени метаморфизма происходит по параболическому закону с инверсией в зоне перехода к группе жирных; в малозольных разностях она снижается от углей марки Д к марке Ж в среднем от 1370 до 1280 кг/м³ и затем последовательно возрастает к углям марки Т до 1340 кг/м³. Общая пористость углей, устанавливаемая по теплоте смачивания, изменяется также по параболическому закону; для донецких углей марки Д она составляет 22-14%, углей марки К — 4-8% и увеличивается (по-видимому, в результате разуплотнения) до 10-15% углей марки Т. Эндогенная (развившаяся в процессе образования угля) трещиноватость, оцениваемая по количеству трещин на каждые 5 см блестящего угля, контролируется стадией метаморфизма углей; она возрастает до 12 трещин при переходе бурых углей в длиннопламенные, имеет максимум в 35-60 у коксовых углей и последовательно уменьшается до 12-15 трещин при переходе к антрацитам. Такой же закономерности подчинены изменения упругих свойств углей — модуля Юнга, коэффициент Пуассона, модуля сдвига (среза), скорости ультразвука.

Главные технологические свойства, определяющие ценность каменных углей, спекаемость и коксуемость. Стандартный показатель спекаемости — индекс Рога (RI) и толщина пластического слоя в аппарате Л. М. Сапожникова. Получаемая пластометрическая кривая при нагревании угля отражает его вязкость и развивающееся в нём давление.

За основу промышленной классификации каменных углей в отдельных странах принимаются различные параметры свойств и состава углей: в США каменные угли классифицируются по теплоте сгорания, содержанию связанного углерода и относительному содержанию летучих веществ, в Японии — по теплоте сгорания, т.н. топливному коэффициенту и крепости кокса или неспособностью к коксованию.

В CCCP до 1954 в качестве основной промышленной классификации послужила разработанная в 1930 В. С. Крымом т.н. Донецкая классификация. Эта классификация, именуемая иногда "марочной", одновременно является и генетической, поскольку положенные в её основу изменения свойств углей отражают их изменения, обусловленные генетическим развитием органического вещества углей. В CCCP для промышленной маркировки каменных углей различных бассейнов используются утверждённые стандартизованные классификации. По усреднённой величине выхода летучих веществ (Vdaf) и характеристике нелетучего остатка (в некоторых случаях дополнительно с учётом спекаемости и величины теплоты сгорания) каменные угли подразделяются на 10 марок: длиннопламенные (Д), газовые (Г), газовожирные (ГЖ), жирные (Ж), коксовые жирные (КЖ), коксовые (К), коксовые вторые (К2), слабоспекающиеся (CC), отощённые спекающиеся (OC) и тощие (Т) с последовательным увеличением содержания углерода от марки Д к марке Т от 76 до 92%, уменьшением выхода летучих веществ с 42 до 7-12%. В каждой из марок, кроме Д и Г, по технологическим свойствам выделяется несколько технологических групп.

Мировые геологические запасы (ресурсы) каменных углей учитываются несколькими международными организациями на основе различных, во многом трудно сопоставимых параметров, вследствие чего приводят к различных итогам, колеблющимся от 8 до 16 трлн. т. Из 14,8 трлн. т мировых геологических запасов (ресурсов) натурального топлива на долю каменных углей приходится 9,4 трлн. т. Общие геологические запасы каменных углей в CCCP оценены в 4,6 трлн. т натурального топлива, или 3,9 трлн. т условного топлива (1984). Наибольшие разведанные запасы каменных углей в CCCP сосредоточены в Донецком, Карагандинском, Южно-Якутском, Минусинском, Буреинском бассейнах. Крупными потенциальными ресурсами каменных углей обладают Тунгусский, Ленский и Таймырский бассейны. Среди наиболее крупных зарубежных бассейнов Аппалачский и Пенсильванский — в США, Нижнерейнско-Вестфальский, или Рурский, — в ФРГ, Верхнесилезский — в Польше и его продолжение в Чехословакии — Остравско-Карвинский, Шаньси — в KHP, Южный-Уэльский — в Великобритании. Ведущее положение в поставках на внешний рынок занимают США, ПНР, Австралия, CCCP, ЮАР, Канада, ФРГ. Основные импортёры: Япония, Франция, Италия, Канада, Бельгия, Дания и др.

Применение каменных углей разнообразно. Он используется как технологическое, энерготехнологическое и энергетические сырьё, при производстве кокса и полукокса с получением большого количества химических продуктов (нафталин, фенолы, пек и др.), на основе которых получают удобрения, пластмассы, синтетические волокна, лаки, краски и т.п. Наиболее перспективное направление использования каменных углей — сжижение (гидрогенизация) угля с получением жидких топлив. При переработке каменных углей получают также активные угли, искусственные графиты и т.д.; в промышленных масштабах извлекается ванадий, германий и сера; разработаны методы получения галлия, молибдена, цинка, свинца. Существуют различные схемы неэнергетического использования каменных углей на основе термохимической, химической и прочей переработки с целью их полного комплексного использования и обеспечения охраны окружающей среды. См. также Угольная промышленность.