Общие сведения об ископаемых углях. Условия и элементы

Уголь по своему происхождению относится к оса­дочным горным породам, обра­зовавшимся десятки миллионов лет назад в основном из остат­ков отмиравших растений. В общем процессе углеобразования — последовательном пре­вращении отмерших растений в уголь — выделяют две фазы:

• торфообразование — пре­вращение исходного материала в торф (сапропель);

• углефикация — последо­вательное преобразование тор­фа (сапропеля) в бурый уголь, а при дальнейшем развитии этого процесса бурого угля — в камен­ный и каменного—в антрацит.

Торфообразование

Накопление остатков высших растений (исходного материала ) происходило в торфяных болотах, занимавших низменные побережья мо­рей и пресноводных водоемов, поверхностных водотоков и переувлажненные отрицательные формы земной поверх­ности. Стоячая, обедненная кислородом вода болот и за­стойных водоемов препятствовала полному бактериально­му разложению погруженного под ней органического ма­териала аэробными микробиологическими агентами; био­химическое разложение остатков отмерших растений (гу­мификация) и превращение их в торф определялось в ос­новном деятельностью анаэробных бактерий.

Углефикация

Процесс углефикации подразделяют на две части:

• диагенез угля — превращение захороненного в не­драх земли торфа под влиянием преимущественно биохи­мических воздействий в бурый уголь;

• метаморфизм угля — последовательное превраще­ние бурого угля в каменный и антрацит под влиянием по­вышенной температуры и давления.

Диагенез угля. В результате протекавших в захоронен­ном торфе биохимических реакций с участием циркулиру­ющих вод и выделявшихся при разложении растительного материала, газов (метана, сероводорода, углекислоты) завер­шались процессы гумификации, происходило старение и за­твердевание коллоидов, образование устойчивых минераль­ных образований. Уплотнение материала, его дегидратация, выделение газов и другие диагенетические преобразования завершились превращением торфа в бурый уголь различно­го петрографического состава.

Метаморфизм угля — процесс глубокого структурно-молекулярного преобразования органического вещества уг­лей с изменением его химического состава, физических и тех­нологических свойств, а также литификацией минеральных включений. Метаморфизм углей явился следствием воздей­ствия на угли внутреннего тепла земли при погружении уг­леносных толщ на глубину (региональный метаморфизм) или тепла, выделяемого магматическими телами, перекрыв­шими либо внедрившимися в угленосные толщи или в под­стилающие их образования (термальный метаморфизм).

В соответствии со степенью углефикации и с учетом параметров, установленных нормативно-технической до­кументацией, ископаемые угли подразделяются на три ос­новных вида: бурые, каменные и антрациты.

Бурый уголь — низший член общего генетического ря­да ископаемых углей. Различают мягкие и плотные разно­видности бурых углей. Мягкие (обычно наиболее молодые по геологическому возрасту) бурые угли — землистые, листовые, иногда мас­сивные и плотные, матовые и полуматовые, палевого, бу­рого, коричневого цвета. Разности мягких бурых углей, содержащих обломки и фрагменты обуглившейся древе­сины, называются лигнитами. Влажность углей изменяется в пределах 40—60 %, содержание углерода — 63—71 %.

Плотные бурые угли — однородные или полосчатые, матовые и блестящие, коричневого или черного с корич­невым оттенком цвета. При раскалывании кусков угля вне плоскостей напластования и отдельностей образуются зем­листые, угловатые, занозистые и раковистые формы изло­ма. Влагосодержание углей 17—40%.

Все бурые угли на воздухе быстро теряют свободную влагу, растрескиваются и превращаются в мелочь. Высшая удельная теплота сгорания в пересчете на сухое беззольное топливо составляет 25,5—33,5 МДж/кг.

Каменный уголь — твердая, плотная, преимущественно полосчатая, реже однородная порода черного или серо-черного цвета с блестящей полуматовой или матовой по­верхностью. Содержание углерода в органическом веще­стве нарастает с повышением степени углефикации от 74 до 92 %, влагосодержание снижается с 16 до 4,6 %. Высшая удельная теплота сгорания сухого беззольного

угля 30,5- 36,8 МДж/кг. Органическое вещество среднеметаморфизованных каменных углей определенного состава при нагре­ве без доступа воздуха переходит в пластическое состоя­ние с последующим образованием связанного нелетучего ос­татка. Это свойство — основа использования каменных уг­лей в коксохимическом производстве.

Антрацит — наиболее углефицированная (содержание углерода в органическом веществе 89—98 %) разновидность ископаемого угля. Плотная порода серовато-черного или черно-серого цвета с ярким металлическим блеском. Излом всегда раковистый. Обладает наивысшей плотностью (1,42— 1,8 м³/т), низким

(10^-5—10 Ом·м) удельным электросопро­тивлением. Высокая электропроводность, низкая реакци­онность к окислению, повышенная стойкость к воздей­ствию агрессивных сред и истиранию, к пластическим де­формациям, а также способность развивать термоэлектро­движущие силы совместно с металлами определяют широ­кий диапазон возможностей использования антрацитов в различных технологических процессах, а также как высо­косортное энергетическое топливо. Горит только при силь­ной тяге воздуха, без пламени или со слабым пламенем, практически без дыма. Высшая удельная теплота сгорания сухого беззольного антрацита 33,5—35,2 МДж/кг, выход ле­тучих веществ колеблется в пределах 1,5—9,0%.

Использование угля в народном хозяйстве

Человек познакомился с углем десятки тысяч лет на­зад, начал систематически употреблять его для своих нужд. Точную дату начала применения угля человеком установить невозможно, однако еще в древности человек соприкасался сним. О «горючих камнях» писал Аристотель, Теофаст на­зывал уголь антраксом (позднее название — антрацит).

В течение нескольких последних столетий уголь был практически единственным энергоносителем в мире. Уголь крайне необходим для нормальной жизни человечества.

Основное направление использования угля — энерге­тическое. Для выработки электроэнергии и тепла расходу­ется около 60 % всего добываемого в мире угля. Коксохи­мические и металлургические производства расходуют 25 %, в коммунально-бытовом и в других секторах промышлен­ности расходуется 15 %.

Анализ темпов расходования и обьемов нефти и газа, яв­ляющихся в настоящее время основой энергетики и важней­шим сырьем для химической отрасли, показал неизбежность их истощения в сравнительно короткие сроки и в связи с этим необходимость перехода на уголь как наиболее пер­спективный источник органического сырья, запасы которо­го значительно превышают суммарные запасы нефти и газа.

Россия располагает всеми видами углей, при этом на Россию приходится около 40 % всех мировых за­пасов бурых углей и 9,8 % — каменных. Доля угля в топ­ливно-энергетическом балансе РФ составляет 12—14 %, про­изводстве тепло- и электроэнергии — 24—28 %. Ежегодные поставки угля энергетикам составляют 100—105 млн т, кок­сохимикам и металлургам — 32—35 млн т.

Уголь — практически неиссякаемый источник тепловой энергии. Потенциальные возможности угля в связи с его сложным химическим составом очень велики. Однако уголь является базисом не только энергетики, но и органической химии в связи со значительным содержанием углерода. Уг­лерод обладает уникальной способностью образовывать ог­ромное количество соединений, которые могут состоять практически из неограниченного числа атомов углерода. В обычных условиях углерод химически инертен, при высоких температурах соединяется со многими элементами и является сильным восстановителем. Многообразие соединений угле­рода определило возникновение органической химии.

Первым технологическим процессом термохимической переработки угля было коксование с целью получения кок­са и применения его в доменном производстве (второе основное направление использования угля).

Кокс — пористая твердая масса серебристого оттенка, получаемая в результате нагревания до 800—1000 °С коксу­ющегося угля или смесей углей нескольких марок без дос­тупа воздуха. Кокс состоит почти из чистого углерода (99,5%) и золы. Важнейшими технологическими свойства­ми кокса являются ситовый состав (средний размер и равно­мерность крупности) и механическая прочность. Для углей различных марок, входящих в состав коксовых смесей, со­держание золы, серы и фосфора нормируется в потреби­тельских стандартах.

В металлургическом производстве различают два вида кокса: доменный и литейный. Доменный предназначен для выплавки металла—он должен быть крупнокусковым и проч­ным. Литейный предназначен для литейного производства — требования более строгие, чем к доменному: содержание серы не должно превышать 1,2—1,3 %; при особо ответст­венном литье — 0,5—0,8 %. Кокс для газогенераторных ус­тановок должен иметь тугоплавкую золу (не ниже 1250 °С) во избежание «зашлакования» рештаков газогенераторов.

В начале XX столетия были проведены первые экспе­рименты по ожижению угля, так как во многих случаях удовлетворительной альтернативы жидким видам топлива пока нет.В настоящее время известны три основных способа по­лучения жидкого топлива из угля: пиролиз, гидрогенизация, газификация (с последующей переработкой синтетического газа в жидкое топливо).

Получение горючих газов путем безостановочной гази­фикации твердого топлива, при которой в газ превращает­ся вся его горючая масса, впервые было осуществлено в 1886 г. русским механиком Меркуловым, предложившим для этих целей «огнеоборотную печь». Эта печь явилась прообразом газогенераторов, в которых твердое топливо превращается в газы путем вдувания в него воздуха, водяного пара, ки­слорода или других газов при высокой температуре.

Наряду с производством газа способом безостановоч­ной газификации его получают также при коксогазовом и коксохимическом производствах одновременно с выработ­кой кокса и других побочных продуктов, например смолы.

Процессы переработки угля и химический состав иско­паемых углей позволили создать сотни сложных веществ, среди которых уникальным, не имеющим аналогов сырье­вым источником является каменноугольная смола.

Каменноугольная смола — продукт выделения из газов коксовых печей. Является сырьем для отечественной кок­сохимии и лучшим сырьем для получения технического уг­лерода высокого качества. Каменноугольная смола — уни­кальный, не имеющий аналога сырьевой источник, покры­вающий в настоящее время более

95 % мировой потребно­сти в конденсированных ароматических и гетероцикличе­ских соединениях.

В глубокой древности люди производили различные кра­сители, для этого использовали минеральные краски, кото­рые находили в готовом виде. Это были окислы различных металлов. Но применявшиеся в древности источники полу­чения красителей не могли удовлетворить потребности раз­вивающейся текстильной отрасли. И на помощь пришли хи­мики, создавшие искусственные красители, а сырьем для их создания явились отходы коксовых заводов, в первую оче­редь каменноугольная смола. В настоящее время насчитыва­ется несколько тысяч синтетических красок. Эти краски ис­пользуют медики, биологи, геологи, географы. Химики соз­дали пластмассу фенопласт, из которой изготавливают тысячи разнообразных изделий: корпуса телефонных аппа­ратов, детали телевизоров и радиоприемников. На базе смол, получаемых из угля, производят стеклопластики, которые используют в автомобилестроении, кораблестроении, в ави­ационной и других отраслях промышленности. Каменноугольные смолы применяют в фармакологии. Из них получают аспирин, стрептоцид, сульфазол, салипирин. Смолы используют и для изготовления ювелирных изделий.

Выход и состав первичной смолы в большей мере, чем других продуктов термического разложения, связаны с веще­ственным составом органической массы исходных углей.

В химическом отношении органическое вещество уг­лей представлено комплексом сложных высокомолекуляр­ных соединений, структура которых изучена недостаточно. В элементном его составе преобладает углерод (табл.1,2), подчиненное значение имеют кислород, водород, азот и ор­ганическая сера.

Менее 1 % (суммарно) составляют фосфор, соединения черных, цветных металлов, редких, рассеянных и других элементов.

Таблица 1 Характеристика угля

Таблица 2 Усреднённый элементный состав органического вещества,%

В результате диагенеза и метаморфиз­ма углей, объединяемых понятием «углефикация», в эле­ментном составе органического вещества доля углерода по­следовательно нарастает с соответственным снижением от­носительного содержания кислорода и водорода (рисунок 1), параллельно изменяются другие химические, физические и технологические свойства.

Рисунок 1 - Изменение элементно­го состава органического веще­ства углей

в процессе углефи­кации:

С-содержание углерода, V – выход летучих веществ, Q – теплота сгорания, О – содержание кислорода, W - влагосодержание

По параметрам, отражающим характер и глубину диагенетических и метаморфических пре­образований органического вещества, различают три степе­ни углефикации: низшую (буроугольную), среднюю (ка­менноугольную) и высшую (антрацитовую).

Основу горючей массы угля составляет углерод. Уголь содержит также кислород, водород, азот, фосфор, серу, зо­лу и воду. Наличие в угле фосфора, серы, золы и влаги при­водит к снижению его качества. Минеральные негорючие примеси в ископаемом угле называют золой. Зола снижает теплоту сгорания угля, «зашлаковывает» котельные установ­ки, резко ухудшает качество кокса, получаемого из коксующегося угля.

Элементы залегания угольного пласта

Пласт — это геологическое тело, сложенное осадоч­ной породой, ограниченное двумя приблизи­тельно параллельными поверхностями и занимающее зна­чительную площадь распространения по сравнению с толщиной накопления. Горные породы, в которых залегает пласт угля, называют (боковыми или вмещающими) породами.

Горные породы, лежащие непосредственно над пластом, называют кровлей пласта.

Горные породы, лежащие непосредственно под пла­стом, называют почвой пласта.

К элементам за­легания горных по­род (пластов, пластообразных залежей) относятся простирание, падение, угол падения и мощность пластов. Пространственное положение пласта характери­зуется следующими элементами залегания: простирание, падение и угол падения (рисунок 2).

Рисунок 2 – Элементы залегания пласта

Линия простирания — линия (А—Б), образующаяся при пересечении поверхности пласта с горизонтальной пло­скостью. Направление линии простирания называется про­стиранием пласта. Простирание характеризуется азиму­том — углом между магнитным меридианом и линией про­стирания (как и любой другой линией). Этот угол отсчитывается от северного направления меридиана по часовой стрелке. Азимут определяется с помощью горного компаса. Линия падения — линия (В—Г), лежащая в плоскости (и на поверхности) пласта, перпендикулярная к линии про­стирания. Она направлена в сторону наибольшего уклона. Падением пласта называют его наклон к горизонтальной плоскости. Направление, проти­воположное падению пласта, есть восстание последнего. Угол, составленный поверхностью (кровлей) пласта и го­ризонтальной плоскостью, называется углом падения.

По уг­лу падения (α) при подземном способе разработки пласты делят на:

- пологие до 18°;

- наклонные 19—35°;

- крутонаклонные 36—55°;

- крутые 56—90°.

Мощность пласта (истинная или нормальная мощность) — это толщи­на пласта, определяемая по кратчайшему расстоянию (по нормали) между кровлей и почвой. Помимо истинной мощности m пласта различают вертикальную т_ви горизонталь­ную т_гмощности (рисунок 3).

Рисунок 3 – Виды мощности пласта:

истинная (NM), горизонтальная (OM) и вертикальная (PM) мощности

Довольно часто пласт по мощности разбит на отдель­ные слои, пачки, отличающиеся друг от друга, например, вещественным составом(рисунок 4).

Рисунок 4- Структурная колонка пласта:

а – простое строение; б - сложное строение

I,II,III,VI –угольные пачки;1,2,3 – породные прослойки; mв – вынимаемая мощность; m_п – полная мощность

Отдельные пачки угля (полезно­го ископаемого) могут быть разделены тонкими слоями породы, называемыми прослойками. Если пласт имеет слож­ное строение, т.е. состоит из пачек угля и прослойков, то в этом случае различают мощность полную (суммарную мощ­ность прослойков и пачек), полезную (суммарную мощ­ность пачек пласта), вынимаемую (суммарную мощность извлекаемых при добыче пачек пласта и прослойков).

В зависимости от мощности при подземном способе разработки пласты делят на:

- весьма тонкие — мощностью менее 0,7 м;

- тонкие — от 0,71 до 1,2 м;

- средней мощности — от 1,21 до 3,5 м;

- мощные более 3,5 м.

В пространстве простирание и падение пласта фикси­руют с помощью угла, который откладывают в горизон­тальной плоскости от северного направления магнитного меридиана по часовой стрелке соответственно до линии простирания и проекции линии падения. Этот угол носит название азимута. Линия падения имеет строго определен­ный азимут. Значение угла до линии простирания можно считать в противоположные стороны от северного направ­ления меридиана. Для исключения такой неопределенно­сти в горной практике установлено: азимут простирания пласта отсчитывают в ту сторону, в которую видно, что падение пласта находится от линии простирания справа, а восстание — слева. Азимуты линий простирания и падения, а также углы падения угольных пластов измеряют специ­альным прибором — горным компасом.

Содержание и порядок выполнения работы

1. Ознакомление с теоретиче­скими основами выполнения работы.

2. Решить задачу в соответствии с заданным пре­подавателем вариантом (Приложение А).Решение необходимо иллюстрировать рисунком.

Условие задачи. Из данных разведочной скважины известны значения вертикальной мощности пласта m_ви угла падения α . Определить истинную т и горизонталь­ную т_г мощности пласта.

3. Для закрепления знаний студенты дают ответы на контрольные вопросы.