Угли ископаемые

УГЛИ ИСКОПАЕМЫЕ (а. fossil соals; н. fossile Kohle; ф. charbons mineraux, charbons fossiles, houilles; и. carbones fociles) — твёрдые горючие горные породы, образовавшиеся из отмерших растений. Угли ископаемые залегают в виде пластов и прослоев или мощных (десятки, реже первые сотни метров) пластообразных и линзовидных залежей в осадочных толщах, выделяемых как угленосные формации. Имеют землистую, массивную, слоистую или зернистую текстуру, однородную или полосчатую структуру; цвет от коричневого до cepo-чёрного, блеск от матового до металловидного.

Общие сведения. Угли ископаемые — один из наиболее распространённых видов полезных ископаемых, они выявлены на всех континентах земного шара. Известно около 3000 угольных месторождений и бассейнов. Общие ресурсы углей ископаемых мира (1984) оцениваются в 14,8 трлн. т в натуральном выражении, или в 12 трлн. т условного топлива (тут); разведанные (соответствующие категориям А, В, С1) в 1,24 трлн. т (1,02 трлн. тут). Ресурсы углей ископаемых CCCP оцениваются в 5,58 трлн. т (рис.), но из них 3,7 трлн. т заключено в слабоизученных и трудных для освоения бассейнах-гигантах — Тунгусском, Ленском и Таймырском.

Из зарубежных стран наиболее крупные общие ресурсы углей ископаемых учтены (млрд. т): в США (3600), KHP (1465), Австралии (783), Канаде (582), ФРГ (287), ЮАР (206), Великобритании (189), Польше (174), Индии (115). Разведанные и предварительно оценённые (по категории А+В+С1+С2) запасы углей CCCP определены в 376 млрд. т (1985). Аналогичные по степени изученности (т.н. подтверждённые) запасы развитых капиталистических стран составляют (млрд. т): США 429, ЮАР 112, ФРГ 99, Австралия 91, Канада 50, Великобритания 45.

Доля углей ископаемых в мировом энергетическом балансе мира в 1913 была 93%. В связи с более широким использованием в 20 веке других, более эффективных видов энергетических ресурсов (нефть, газ, энергия ГЭС, атомная энергия) она снизилась до 56% в 1950 и до 29% в 1985.

Основные направления современного использования углей ископаемых: энергетическое — производство электроэнергии и тепла (около 73% углей ископаемых, добываемых в CCCP) и технологическое — получение металлургического кокса, химического сырья (более 300 наименований) и др.; в меньших масштабах осуществляются газификация и полукоксование углей. Они используются также для получения карбидов кальция и кремния, термоантрацита, термографита, катодных блоков, электродов, углещелочных реагентов, гуминовых кислот и азотистых удобрений и как энерготехнологическое сырьё (для агломерации руд, в производстве строительных материалов и для других целей). Перспективные направления переработки углей ископаемых — гидрогенизация и пиролиз угля с целью получения жидкого и газообразного топлива, а также продуктов для органического синтеза, новых видов пластмасс, извлечения серы. Значительные масштабы добычи, а также совершенствование методов переработки углей ископаемых — основа комплексного использования недр (в т.ч. сопутствующих полезных ископаемых, содержащихся в отходах добычи и переработки и извлекаемых при осушении и дегазации горных работ подземных вод и метана).

В познание процессов образования углей ископаемых, закономерностей пространственного распределения их запасов и других проблем геологии углей ископаемых большой вклад внесли русские и советские геологи. Среди них: Л. И. Лутугин и его ученики — В. И. Яворский, П. И. Степанов, А. А. Гапеев и др.; кроме того, большие работы были проведены М. А. Усовым, Ю. А. Жемчужниковым, И. И. Горским, Г. А. Ивановым, М. М. Пригоровским, А. К. Матвеевым, Г. Ф. Крашенинниковым и др. Развитие учения о геологии углей ископаемых за рубежом связано с именами немецких (Г. Потонье, К. Науман, М. и Р. Тейхмюллеры, Э. Штах и др.), английских (М. Стопе, К. Маршалл, У. Фрэнсис и др.), американских (Р. Тиссен, Д. Уайт и др.), голландского (Д. Кревелен), чешского (В. Гавлена) и других учёных.

Природные  типы, состав и свойства углей ископаемых. По характеру исходного для углеобразования материала угли ископаемые подразделяются на группы: гумолиты (преобладающая часть), сапропелиты и сапрогумолиты. По преобладанию в органическом веществе тех или иных продуктов преобразования растений выделяются подгруппы гумолитов: гумиты и липтобиолиты и классы сапропелитов и сапрогумолитов (например, богхеды, кеннели), отличные по микрокомпонентному составу и свойствам. С учётом изменений химического состава, физических и технологических свойств углей ископаемых, обусловленных их углефикацией, выделяются основные природные виды углей ископаемых: бурый уголь, каменный уголь и антрацит, каждый из которых соответственно различиям в их вещественном составе и степени углефикации характеризуется широким диапазоном колебаний основных показателей качества и технологических свойств.

Основные компоненты углей ископаемых: органические вещество, минеральные примеси и влага. Органическое вещество — носитель ценных свойств углей ископаемых — представлено различным сочетанием компонентов из полностью утратившего при торфо- и углеобразовании и углефикации или частично сохранившего первоначальную структуру растительного материала. В химическом отношении органическое вещество сложено высокомолекулярными соединениями, структура которых изучена недостаточно. В его элементном составе преобладает углерод, подчинённое значение имеют кислород, водород и сера; в незначительных количествах присутствуют соли органических кислот и металлоорганические соединения. Масса органического вещества составляет 50-97% от общей массы сухого угля. Минеральные примеси рассеяны в органической массе или в угольных пластах в виде кристаллов, конкреций, тонких прослоев и линз. Наиболее распространены глинистые минералы; содержание их в среднем составляет 60-80% от общей массы неорганического материала. Подчинённое значение имеют карбонаты, сульфиды железа и кварц. В незначительных количествах содержатся сульфиды цветных и редких металлов, фосфаты, сульфаты, соли щелочных металлов. Относительное содержание минеральных примесей в сухом веществе угля колеблется в широких пределах, с условным разграничением углей ископаемых и углистых пород по зольности (A^d — 50-60%). Влага частично входит в состав органической массы или содержится в кристаллизационных решётках некоторых минералов (пирогенетическая влага). Большая её часть удерживается сорбционными и капиллярными силами в мелких порах и трещинах угля (связанная влага) или содержится в крупных трещинах и порах (свободная влага). Массовая доля суммарной свободной и связанной влаги (т.н. общей влаги W_t^r) колеблется от 60% в мягких рыхлых до 16% в плотных бурых углях, снижаясь до 6-10% в слабометаморфизованных каменных углях и антрацитах. Минимальную влажность (до 4%) имеют среднеметаморфизованные каменные угли. Величина этого показателя — один из основных параметров классификации бурых углей. Повышенные содержания минеральных примесей и влаги отрицательно сказываются на теплотехнических свойствах и технологических процессах переработки углей ископаемых, а также удорожают (как балласт) стоимость их транспортировки. В CCCP предельные их величины лимитируются государственными стандартами для всех направлений народно-хозяйственного использования углей ископаемых. Большая часть энергетических углей и всех углей ископаемых, направляемых для коксования, подвергается обогащению. Высшая теплота сгорания сухого беззольного угля (Q_s^daf колеблется в пределах (МДж/кг): для бурых 25,5-32,6, для каменных 30,5-36,2 и для антрацитов 35,6-33,9; низшая теплота сгорания в пересчёте на рабочее топливо (Q_i^r) — показатель количества тепла, которое может быть реализовано в топках (МДж/кг): 6,1-18,8 для бурых углей, 22,0-22,5 для каменных углей и 20-26 для антрацитов.

Использование углей ископаемых в коксохимическом производстве лимитируется их спекаемостью — способностью переходить при нагревании в пластическое состояние и образовывать при затвердевании пористый монолит. Этим свойством обладают только каменные угли средних (II-V) стадий метаморфизма определённого петрографического состава. Бурые угли и антрациты дают неспёкшийся порошкообразный нелетучий остаток, слабо- и сильнометаморфизованные каменные угли — порошкообразный или слабоспекшийся. Основные носители спекаемости — компоненты витринита групп и лейптинита; частично размягчаются компоненты группы семивитринита. Компоненты группы инертинита (фюзинита) не обладают способностью даже частичного размягчения. На различиях в спекаемости (соотношении плавких и отощающих компонентов) основана шихтовка углей, направляемых для коксования (см. Коксующиеся угли). Для всех направлений технологического использования угля нормируется содержание серы. Большинство месторождений содержит малосернистые (S_f^d — 0,1-1,5) угли, но в некоторых бассейнах средняя массовая доля серы в углях повышается до 3-6% (Донбасс), 6% (Подмосковный, Кизеловский) и 8-10% (Иркутский). Массовая доля серы в сухом угле нормируется с учётом направлений использования углей ископаемых.

Угли ископаемые всех разведываемых и вовлекаемых в разработку месторождений подвергаются техническому анализу с определением рабочей влаги, зольности, содержания седы, выхода летучих веществ (V^daf). Определяется их элементный состав, теплота сгорания: высшая (по бомбе) и низшая (рабочего топлива). Изучаются петрографический состав и физические свойства углей — плотность действительная и кажущаяся, обогатимость, механическая прочность и размолоспособность, в необходимых случаях — термическая стойкость, электрические свойства. С учётом возможного и намечаемого использования углей производятся специальные исследования по определению для бурых и низкометаморфизованных углей — выхода смол, битумов, гуминовых кислот, для каменных — спекаемости, коксуемости, содержания фосфора. Для всех направлений использования и, особенно для сжигания изучается состав и свойства золы, содержания в углях попутных полезных компонентов — урана, германия, галлия, ванадия, вольфрама, благородных металлов и др. Номенклатура показателей качества углей и условия их определения регламентированы в CCCP государственными стандартами.

Промышленные классификации углей ископаемых отражают сложившуюся практику их использования. В CCCP основа промышленной классификации углей ископаемых — их марочная принадлежность. Марка угля — условное название (буквенное обозначение) разновидностей угля, близких по генетическим признакам и основным энергетическим и технологическим свойствам. Все бурые угли относились к одной марке (Б), также в одну марку (А) объединялись антрациты. Для каменных углей с широким диапазоном возможных направлений технологического использования (главным образом в процессах коксования) как в CCCP, так и в зарубежных странах производилось более дробное (до десяти марок) подразделение, учитывающее различия в выходе летучих веществ, спекаемости, теплоте сгорания; для этой цели также использовались показатель отражения витринита, данные об элементном составе органического вещества. Внутри марок по дополнительным технологическим свойствам, отражающим как степень углефикации, так и особенности состава органического вещества, выделялись технологические группы углей ископаемых. Бурые угли по содержанию рабочей влаги подразделялись на 3 технологические группы: 1Б — с W более 40%, 2Б — 31-40%, 3Б — менее 30%, угли Днепровского бассейна (УССР) технологической группы 1Б дополнительно на 4 группы по выходу смол и каждая из них на 4 подгруппы по величине высшей теплоты сгорания (по бомбе). В разработанных в 1956-80-х гг. т.н. "бассейновых" классификациях в неокисленных спекающихся каменных углях различных марок выделялись технологические группы со спекаемостью, характеризуемой низшим значением толщины пластического слоя (у) (ГОСТ 1186-69 и СТСЭВ 5775-86); цифровое значение этого показателя присоединялось к буквенному обозначению марки угля (например, Г6, Г11, КЖ6, КЖ14 и т. п.). Для высокометаморфизованных слабоспекающихся углей дополнительно привлекался показатель Рога (RI).

С 1 января 1990 введена (ГОСТ 25543-88) единая классификация неокисленных ископаемых углей CCCP, предусматривающая подразделение их по видам, генетическим и технологическим параметрам. Классификацией предусмотрено отнесение углей: к бурым при среднем показателе отражения витринита R0 менее 0,60% и высшей теплоте сгорания в пересчёте на влажное беззольное их состояние (Q_s^af) менее 24 МДж/кг; к каменным углям при средней величине R0 от 0,40 до 2,59%, Q_s^af 24 МДж/кг и более и выходе летучих веществ в пересчёте на сухое беззольное их состояние (V^daf) 8% и более; к антрацитам при средней величине R0 от 2,20% и более и V^daf менее 8%. Предусмотрено определение следующих генетических параметров исследуемых углей: степень их метаморфизма, устанавливаемая по средней величине показателя отражения витринита R0 (класс угля); особенности петрографического состава — минимальное суммарное содержание фюзенизированных отощающих компонентов — OK, % (категория угля); максимальная влагоёмкость на беззольное состояние — W_max^af, %, для бурых углей, выход летучих веществ V^daf, %, для каменных и V_v^daf, см³/г, для антрацитов (тип угля); выход смол полукоксования T_sk^daf для бурых углей, спекаемость по толщине пластического слоя — у, мм, и индексу Рога — R1 для каменных углей, анизотропия отражения витринита AR, %, для антрацитов (подтип угля). Номера типов и подтипов устанавливаются по минимальным значениям указанных показателей в исследуемом угле; они отражают структурные особенности, различную степень восстановленности органического вещества изометаморфных углей и другие генетические особенности.

По перечисленным показателям выделено 50 классов угля с R0 от 0,20 до 5,0% и более, 8 категорий с OK от менее 10 до более 69%, 6 типов бурых углей с Wmaxaf от менее 20 до 70%, 11 — каменных с Vvdaf от более 48 до 8% и 4 — антрацитов с Vvdaf от более 200 до менее 100 см³/г, 4 подтипа бурых углей с T_sk^daf от более 20 до 10% и менее, 23 — каменных по показателям спекаемости и 6 — антрацитов по показателям анизотропии отражения витринита. По совокупности генетических параметров исследуемый уголь обозначается семизначным кодовым числом, составленным из номеров его класса, категории, типа и подтипа и отражающим основные особенности его состава и технологические свойства. Соответственно по генетическим параметрам определяется технологическая марка, группа и подгруппа исследуемого угля.

Всего выделено 17 марок, из них по одной для бурых (Б) углей и антрацитов (А) и 15 для каменных углей: длиннопламенные (Д), длиннопламенные газовые (ДГ), газовые (Г), газовые жирные отощённые (ГЖО), газовые жирные (ГЖ), жирные (Ж), коксовые жирные (КЖ), коксовые (К), коксовые отощённые (KO), коксовые слабоспекающиеся низкометаморфизованные (KCH), коксовые слабоспекающиеся (KC), отощённые спекающиеся (OC), тощие спекающиеся (TC), слабоспекающиеся (CC) и тощие (Т).

Марки Б, CC и А подразделены на три, каменные угли (исключая марки Д, ДГ, КЖ, KCH и TC) — на две технологические группы каждая. Выделение групп обусловлено некоторыми существенными различиями в величинах максимальной влагоёмкости для бурых, показателях спекаемости изометаморфных каменных углей, степенью и причинностью повышенного метаморфизма антрацитов и др. Наименование группы предшествует названию марки, например первый газовый (1Г), третий бурый (3Б) и т. п.

Выделение подгрупп производится с учётом петрографического состава. Углям категорий 1, 2, 3 с S OK менее 40% присваивается наименование витринитовых, категории 4 и выше с S OK более 40% — фюзинитовых. Наименование подгруппы указывается (обозначается) после названия (символа) марки, например второй газовый витринитовый (2ГВ) и т. п.

Технологическими требованиями, устанавливаемыми государственными, республиканскими, отраслевыми стандартами для конкретных направлений использования отгружаемой товарной продукции, регламентируются средние и предельные значения зольности, содержания серы, рабочей влажности, сортовой состав углей, содержание минеральных примесей, в необходимых случаях — состав и свойства золы, термическая стойкость, механическая прочность и другие показатели. Окисленным бурым и каменным углям присваивается марка неокисленных углей с дополнительным присоединением к буквенному её обозначению кодового указания на степень окисленности OK-1, OK-II, характеризуемой предельной величиной высшей теплоты сгорания, которая устанавливается для каждого месторождения (бассейна) соответствующими государственными стандартами. Требования к качеству углей других направлений технологического и энерготехнического использования также нормируются соответствующими государственными стандартами.

В зарубежных классификациях углей ископаемых принято подразделение их на бурые, каменные и антрациты с дополнительным выделением лигнитов или отождествлением последних с бурыми углями. Более дробные подразделения углей ископаемых в этих классификациях основаны на степени их углефикации и обусловленных ею таких важнейших показателях промышленных свойств, как удельная теплота сгорания и спекаемость.

В классификации Грюнера, распространённой в зарубежных европейских странах, приняты основные параметры: элементный состав, выход и свойства нелетучего остатка. В США угли ископаемые подразделены на 4 класса: лигниты, суббитуминозные и битуминозные угли, антрациты. В каждом классе выделены группы для лигнитов и неспекающихся (суббитоминозных) углей по величинам высшей удельной теплоты сгорания беззольного угля, для спекающихся (битуминозных) углей и антрацитов — по содержанию связанного углерода и выходу летучих веществ.