close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

6174.Основы геологии угля и горючих сланцев.

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Оренбургский государственный университет»
Г.А. Пономарева
ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ УГЛЯ И
ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
Рекомендовано Ученым советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский
государственный университет» в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по программам высшего профессионального образования по специальности
21.05.22 Прикладная геология
Оренбург
2015
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 553.93/96(075.3)
ББК 26.343я73
П56
Рецензенты
доктор геолого-минералогических наук, профессор А.Я. Гаев
кандидат геолого-минералогических наук, доцент В.Б.Черняхов
Пономарева, Г.А.
П 56Основы геологии угля и горючих сланцев: учебное пособие / Г.А.
Пономарева; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург: ОГУ, 2015. – 120 с.
ISBN 978-5-7410-1264-2
В учебном пособии рассмотрены вопросы происхождения и классификации угля и горючих сланцев, их вещественный состав, свойства, состав и строение угленосных формаций, угленосные бассейны различного возраста, геология
угольных месторождений, технические средства разведки, классификация запасов угольных месторождений, подсчет запасов углей и промышленное их использование.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 21.05.22 –
Прикладная геология
УДК 553.93/96(075.3)
ББК 26.343я73
ISBN 978-5-7410-1264-2
© Пономарева Г.А., 2015
© ОГУ, 2015
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание
с
1
Введение
6
Виды твердых горючих ископаемых, их применение, энергетическая
8
характеристика, доля в общем балансе источников энергии
2
Происхождение твердых горючих полезных ископаемых
11
2.1
Классификация горючих полезных ископаемых
11
2.2
Круговорот органического углерода в природе
15
2.3
Исходное углеобразующее вещество
16
2.4
Стадии преобразования органического вещества
17
2.5
Пространственно-временные закономерности углеобразования
20
3
Гумолиты
22
3.1
Торф
22
3.2
Угли
26
3.2.1 Стадийность превращения углей (гумолитов)
26
3.2.2 Предпосылки, необходимые для углеобразования
29
4
Сапропелиты
31
5
Метаморфизм углей и вмещающих пород
32
6
Свойства углей
34
6.1
Макроскопические свойства
35
6.2
Химические свойства
38
6.3
Физические свойства
45
6.4
Петрографические свойства
47
6.5
Вопросы и упражнения
51
7
Угленосные формации
53
7.1
Состав и строение угленосных формаций
54
7.2
Угольные пласты
56
7.3
Сопутствующие полезные ископаемые угленосных формаций
59
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8
Угленосные провинции, бассейны, месторождения. Классификация
60
угольных бассейнов
8.1
Классификация угольных бассейнов
61
8.2
Угольные бассейны и месторождения палеозойского возраста (ка-
63
менноугольная система)
8.3
Угольные бассейны и месторождения мезозойского возраста
66
8.4
Угольные бассейны и месторождения кайнозойского возраста
67
9
Изучение геологического строения угольных месторождений
72
9.1
Общие задачи и принципы геологического изучения месторождений
72
9.2
Вопросы и упражнения
76
10
Технические средства разведки угольных месторождений
77
10.1
Детальное геологическое картирование
77
10.2
Геофизические методы
78
10.3
Горно-разведочные выработки и опробование
80
10.4
Промыслово-геофизические методы исследования
82
10.5
Вопросы и упражнения
85
11
Запасы угольных месторождений
85
12
Подсчет запасов углей
90
12.1
Общие положения
90
12.2
Методы подсчета запасов
91
12.3
Вопросы и упражнения
94
13
Горно-геологические особенности угольных месторождений
95
13.1
Литологический и состав и физико-механические свойства пород
95
14
Промышленное использование углей
102
15
Промышленная классификация углей
105
16
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и проме- 111
жуточной аттестации
16.1
Образцы тестов для проведения текущего контроля
111
16.2
Контрольные вопросы для зачета по дисциплине
115
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16.3
План характеристики угольного бассейна
117
Список использованных источников
118
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Введение
Горючие полезные ископаемые – нефть, газ, уголь, горючие сланцы – являются основными источниками энергии. В настоящее время они так же являются важным химическим сырьем. Сведения о них известны с древних времен, использовались они для примитивных бытовых нужд.
Сегодня топливо, наряду с металлом является фундаментом современной
промышленности, поэтому поиски и разведка месторождений горючих полезных
ископаемых, в том числе твердых, является важнейшей задачей.
В деле развития топливно-энергетического комплекса большая ответственность ложится на геологов, занимающихся поисками, разведкой, научным обоснованием направлений и методики работ. Необходимо на основе совершенствования
теоретической основы прогнозирования, разработки новых методов поисков и разведки месторождений повышать эффективность геологоразведочных работ.
Этим целям и служит геология горючих ископаемых – теоретическая основа
разведки, рационального использования при сохранении окружающей среды и богатств нашей страны.
Представляемое пособие составлено с учетом Федерального государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 21.05.22 «Прикладная геология», утвержденного приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от "17" января 2011 г № 62.
Настоящее пособие посвящено общим вопросам геологии угля и горючих
сланцев. Оно разработано для проведения занятий по дисциплине «Геология угля и
горючих сланцев» при подготовке студентов по специальности 21.05.22 Прикладная геология и в соответствии с рабочей программой дисциплины. Также оно может
быть использовано для проведения занятий по дисциплинам «Лабораторные методы
изучения минерального сырья» и «Геология твердых горючих полезных ископаемых».
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Целью данного пособия является помощь студентам в изучении широкого
круга вопросов, касающихся происхождения, состава, свойств, качества, геологии и
использования угля и горючих сланцев. Во многом данное пособие поможет аспирантам, молодым специалистам, занимающихся изучением месторождений угля и
горючих сланцев.
Пособие состоит из теоретических разделов логично связанных между собой.
Наиболее важные разделы содержат контрольные вопросы и упражнения. К расчетным заданиям приведены ответы для самоконтроля. Также приведены образцы тестовых заданий. Список литературы охватывает только основные фундаментальные
и обобщающие работы. Рисунки, фотографии, таблицы и другие графические материалы взяты из источников, приведенных в списке литературы.
В пособие включены результаты авторских геохимических исследований месторождений горючих полезных ископаемых Оренбургской области, полученных с
использованием собственных патентованных разработок.
В настоящее время внимание исследователей привлекает содержание металлов в горючих полезных ископаемых: нефтях, природных битумах, асфальтитах,
углях. Благородные и цветные металлы также представляют интерес в связи с проведением работ по изучению металлоносности углеродсодержащих формаций
Уральской металлогенической провинции, которые охватывают одноименную
складчатую область Восточного Оренбуржья [21 – 24 и др.]. Содержание металлов,
в том числе и благородных, в
месторождениях горючих полезных ископаемых
Оренбургской области доказано методами количественного анализа с применением
способа разложения углеродистых пород (Патент РФ № 2409810) [20]. Более подробно с этими вопросами можно познакомиться в работах [16, 21 – 24 и др.].
Для студентов геологических специальностей, геологов, минералогов, технологов и работников геологоразведочных организаций.
Автор
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 Виды
твердых
горючих
ископаемых,
их
применение,
энергетическая характеристика, доля в общем балансе источников
энергии
В настоящее время горючие ископаемые, в том числе и твердые, являются основой экономики, а их добыча составляет важнейший элемент промышленного
комплекса мира. Состояние топливно-энергетического баланса, потребление всех
видов топлива и энергии в целом и на душу населения служит важнейшим показателем уровня развития страны, прочности ее экономики и политической самостоятельности.
В современном мире потребности в топливе и энергии почти полностью удовлетворяются за счет горючих полезных ископаемых. Доля в общем балансе энергии
твердых горючих полезных ископаемых (ТГПИ) показана в таблице 1.
Таблица 1 – Доля в общем балансе энергии твердых горючих ископаемых
Вид энергии
Мир в целом, %
Россия, %
Нефть
46
34
Газ
19
37
Уголь
29
22
Прочие
6
7
Определяющим свойством горючих ископаемых является способность давать
тепловую энергию, поэтому основной их характеристикой служит удельная теплота
сгорания (таблица 2).
К твердым горючим полезные ископаемым относятся торф, бурый и каменный
угли, горючие сланцы.
Торф. Это органическая горная порода, образовавшаяся в результате отмирания и полного распада болотных растений в условиях высокой влажности и затрудненного доступа воздуха, без воздействия высоких температур и давлений.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 2 – Удельная теплота сгорания основных видов топлива
Вид топлива
Удельная теплота сгорания, МДж/кг.
Нефть, газ горючий
44 - 46
Метан
50
Антрацит
33 - 36
Каменный уголь
31 - 36
Бурый уголь
26 - 30
Торф
6 - 21
Горючие сланцы
7 - 11
П р и м е ч а н и е – 1 МДж = 239 ккал
Представляет собой уплотненную массу коричневого цвета, содержит до 55 %
углерода. Торф используется, в основном, в качестве топлива и в виде удобрения.
Влажность торфа достигает 95 %.
Уголь подразделяется на степени метаморфизации на бурый уголь, каменный
уголь и антрацит.
Бурый уголь. Отличие бурого угля от торфа заключается в более высокой степени превращения в горную породу за счет воздействия температуры и давления в
процессе осадконакопления. Для бурого угля характерна окраска бурого или черного цвета, содержание углерода, по сравнению с торфом более высокое – до 58 –
70 %, влажность – 60 %.
Каменный уголь. Следующей стадией преобразования органического вещества бурого угля, вследствие увеличения температуры и давления залегающих выше
осадочных пород, является образование каменного угля. Каменный уголь характеризуется повышенной плотностью, черным цветом, содержание углерода достигает
80 - 90 %, влажность не превышает 15 %.
Одной из разновидностей каменного угля является антрацит – уголь, подвергшийся наиболее высокому воздействию температуры и давления, что способствует резкому снижению в угле кислорода, азота и серы.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Следует назвать также продукты более сильного преобразования угля – алмаз,
шунгит и графит, но они не являются горючими полезными ископаемыми.
Горючие сланцы – глинистые породы, обычно слоистые, обладающие способностью легко загораться от спички и горящие коптящим пламенем. Эти свойства
обусловлены нахождением в сланцах углеводородных веществ – битумов. В зависимости от вида и свойств битума сланцы разделяют на две группы:
1) на пропитанные готовым битумом, который легко извлекается органическими растворителями (бензолом);
2) на пиробитуминозные, или собственно горючие сланцы, не включающие
готовых битумов, но выделяющие их при сухой перегонке.
Первая группа сланцев подразделяются на асфальтоподобные сланцы (их много в Канаде) и сланцы типа калифорнийских, битумы которых связаны с органическими остатками; последние иногда рассматривают как материнские породы для образования нефти. Вторая группа является преимущественно сапропелевыми образованиями (отложениями биогенного органического ила).
Кероген – органическое вещество сланцев отличается от угля тем, что содержит мало мацералов группы витринита, инертинита и липтинита. Оно состоит преимущественно из структурных и бесструктурных микрокомпонентов, образовавшихся из планктонных организмов, а также сложной сорбционной смеси бесструктурного гумуса и сапропеля и тел неясной природы.
Резкой границы между углями и горючими сланцами нет, в зависимости от
зольности и состава органического вещества существуют переходы от гумусового
угля к углистым сланцам. Поэтому методы исследования этих продуктов практически одинаковы.
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2 Происхождение твердых горючих полезных ископаемых
В отличие от нефти и газа, о происхождении которых до сих пор нет единого
мнения, растительное происхождение ископаемых углей четко подтверждается
нахождением в них фрагментов растений.
Свойства и качество каждого из членов угольных групп (торф, уголь, сланцы)
определяются следующими показателями:
 принадлежностью исходного вещества к высшим или низшим растениям;
 характером последующих природных условий, при которых происходило преобразование исходного вещества.
Образование твердых горючих ископаемых обязано происходящему в растениях процессу – фотосинтезу, при котором хлорофильная зона растений под влиянием солнечных лучей извлекают из атмосферы оксид углерода (СО2) и разлагают
его на углерод и кислород. Углерод идет на построение тела растения, кислород
возвращается в атмосферу и обеспечивает жизнедеятельность живого мира.
2.1 Классификация горючих полезных ископаемых
Главное свойство горючих полезных ископаемых – это способность гореть,
поэтому их элементный состав, в общем, сходен. Главными элементами являются
углерод, водород и гетероэлементы (кислород, азот, сера), соотношение последних
определяет вид или тип горючих полезных ископаемых и их свойства.
Органическое вещество горючих полезных ископаемых состоит из огромного
числа видов молекул, то есть является гетеромолекулярным. Для таких веществ характерно непостоянство их свойств.
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Классические работы Потонье положили начало классификации горючих полезных ископаемых, для которых он ввел термин каустобиолиты (в переводе с греческого каусто – горючий, био – живой, литос – камень). Это справедливо для углей,
горючих сланцев, твердых природных продуктов преобразования нефти – нафтидов.
По типам исходных биопродуцентов и с учетом химической структуры тканей
все концентрированные формы органического вещества (ОВ) были подразделены
на:
1. Сапропелиты, образующиеся за счет фитозоопланктона, отличительной особенностью которого являются более высокие содержания жиров, белков, хитина.
2. Гуммиты, формирующиеся за счет остатков высшей наземной растительности,
основу которой составляют углеводы, лигнин и др.
3. Липтобиолиты, исходный материал которых представлен наиболее стойкими
к разложению тканями высших растений, таких как воски, смолы, кутикулы.
В последствие все каустобтолиты подразделили на каустобиолиты угольного
ряда (угли, торф, антрацит, сапропелевые угли и др.) и каустобиолиты нефтяного
ряда, к которым отнесли углеводородные газы, нефти, мальты, асфальты, озокериты
и прочие природные битумы.
Позже были предприняты попытки классификации каустобиолитов на основе
агрегатного состояния, растворимости (Э.Р. Лилль, 1938), на различном элементном
составе (В.А. Клубов, 1948; А.Ф. Добрянский; И.О. Брод, 1957 и др.).
Генетическая классификация каустобиолитов, основанная на геологических
условиях их образования была предложена В.А. Успенским и О.В. Радченко (1961).
Классификация представляет собой блок-диаграмму состоящую из двух ветвей: левой ветви отвечают каустобиолиты угольного ряда, а правой ветви - каустобиолиты
нефтяного ряда. Также на ней отмечены основные категории биопродуцентов. Несмотря на то, что не все каустобиолиты отражены на диаграмме, она наиболее полно
отражает суть геологических обстановок углеобразования и битумогенеза.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Следует отметить, что до сих пор нет единой обобщающей классификации каустобиолитов, и, очевидно, создание ее по единому принципу затруднено вследствие наличия переходных форм при различии исходного ОВ нефти и угля.
Попытки генетической классификации твердых горючих ископаемых, в том
числе, угля известны еще с 18 века (Беролдинген). Ископаемые угли, представляющие основную группу среди каустобиолитов, он разделил на гумусовые, липтобиолиты и сапропелиты. Последующие исследователи разрабатывали генетическую
классификацию углей (М.Д. Залесский, 1928; Ю.А Жемчужников, 1935; Г.П. Стадников, 1933; Г.А. Иванов, 1938; О.Д. Русанова, 1956 и др.).
Наиболее признанной оказалась классификация Ю.А Жемчужникова, которая
представлена в таблице 3.
Таблица 3 - Генетическая классификация углей (по Ж.А. Жемчужникову)
Группа углей по исходному
материалу
I группа. Гумолиты – происходят из высших растений
Класс углей по результатам
Примеры
накопления и разложения
I кл: гуммиты (лигнинно- а) однородные (дюрецелюлозные + кутиновые новые,
клареновые,
элементы и смолы)
фюзено-ксиленовые)
б) полосчатые
II кл: липтобиолиты (только а) споровый (тасманит)
кутиновые элементы и смо- б) кутикуловый (барзалы)
сит)
в) смоляной (радбописит)
г) коровый (лопанит)
II группа. Сапропелиты – I кл: собственно сапропели- а) богхед
происходят из низших рас- ты (сохраняют водоросли и б) марагунит
тений и животного планк- другие планктонные остат- в) кеннель
тона
ки)
г) кеннель-богхед
д) касьянит
II кл: Сапрополлиты (водо- а) матаганский
росли не сохраняются, пре- б) хахарейский
вращены в бесструктурную
массу).
Таким образом, по исходному органическому веществу твердые горючие ископаемые были подразделены на 2 группы: гумолиты и сапропелиты.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гумолиты – группа твердых горючих ископаемых, образовавшихся из остатков высших растений.
Сапропелиты – включают группу горючих ископаемых, в образовании которых главное участие принимают представители низших растений и животного мира
в виде мертвого планктона.
Современная генетическая классификация углей базируется на классификации
Ю.А Жемчужникова с дополнениями И.Э Вальц, А.И. Гинзбург, Н.М. Крыловой
(1968). Суть современной классификации заключается в перегруппировке по вещественно-петрографическим признакам всех известных типов гумусовых углей, а
также в создании терминологии, отражающей их состав (таблица 4).
2.2 Круговорот органического углерода в природе
Круговорот органического углерода в природе состоит из четырех циклов.
Первый цикл составляют организмы, осуществляющие жизнедеятельность за
счет фотосинтеза и извлечения углерода из атмосферы (мхи, травы, деревья).
Атмосфера имеет следующий состав: 78 % - азот, 21 % - кислород, 1 % - аргон,
0,1 % - углекислота, кроме того в ней содержатся водород, неон, гелий, криптон,
ксенон и др. – 0,01 %.
Второй цикл заключается в том, что растения первого цикла отмирают и используются в качестве продуктов жизнедеятельности для других организмов. Агентами разложения служат грибки, микробы, бактерии. При этом в атмосферу выделяется СО2.
Третий цикл. Основным процессом этого цикла является седиментация продуктов второго цикла. Из подвижного или взвешенного состояния они переходят в
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 4 – Вещественно-петрографическая классификация углей (по
И.Э Вальц, А.И. Гинзбург, Н.М. Крыловой и др.)
Группа
Класс
Подкласс
Тип
Гумолиты
Гелитолиты
Гелиты
л-гелиты
ф-гелиты
л-ф-гелиты
Гелититы
Фюзенолиты
Фюзиты
Фюзититы
Липоидолиты
Микстогумолиты
Сапрогумолиты
Сапропелиты
л-гелититы
ф-гелититы
л-ф-гелититы
г-фюзиты
л-фюзиты
г-л-фюзиты
г-фюзититы
л-фюзититы
г-л-фюзититы
Типы углей (по Ю.А Жемчужникову, А.И. Гинзбург)
Ультраклареновый (витреновый),
клареновый с липоидными, клареновый с фюзенизированными, витреновый, клареновый с липоидными и фюзенизированными компонентами
Дюрено-клареновый с липоидными, дюрено-клареновый с фюзенизированными, дюрено-клареновый
с липоидными и с фюзенизированными компонентами
Дюреновый с фюзенизированными
компонентами, фюзеноксиленовый
Кларено-дюреновый с фюзенизированными компонентами
Липоидиты
г-липоидиты
ф-липоидиты
г-ф-липоидиты
Дюреновый с липоидными компонентами
Липоидотиты
г-липоидотиты
ф-липоидотиты
г-ф-липоидотиты
-
Кларено-дюреновый с липоидными
компонентами
Микстогумиты
Микстогумититы
Кларено-дюреновый с липоидными
и с фюзенизированными компонентами
Сапрогелитолиты
Альгито-гелиты, альгитогелититы
-
Гумитосапропелиты
Собсвенно
сапропелиты
Гумито-альгиты, гумито-альгититы
-
Альгиты, альгититы
-
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
неподвижный осадок. На третьем цикле образуются ТГПИ. При этом из органического вещества также выделяется в атмосферу часть углерода в виде СО2..
В период четвертого цикла в результате метаморфизма происходит полное
выделение органического углерода в виде газов и кислот и перестройка его атомов в
упорядоченное кристаллическое состояние. При этом образуется графит и алмазы.
На этом круговорот углерода заканчивается, а весь углерод, выделившийся во
втором, третьем и четвертом циклах возвращается в атмосферу и включается в последующие обороты по рассмотренной схеме.
Кроме растительного мира в круговороте углерода участвует фауна (животный мир), и промышленная деятельность человека. Считается, что ежегодный прирост углерода в атмосфере составляет до 0,4 %, причем происходит это, по большей
части, в результате сжигания горючих ископаемых. Поскольку круговорот углерода
в природе до конца не исследован, и он включает в себя процессы, длящиеся сотни
лет, последствия такого нарушения природного цикла невозможно предугадать.
2.3 Исходное углеобразующее вещество
По строению, составу и условиям жизни исходные для образования твердых
горючих ископаемых растения разделяются на две основные группы: высшие и
низшие.
Высшим растениям свойственны отчетливо выраженная корневая система,
ствол, стебель, листья, они приспособлены к жизни в наземных условиях.
Низшие растения лишены вегетативных органов. Эта группа растений сложена преимущественно одинаковыми клетками и обитает в воде.
Высшие растения состоят, главным образом, из целлюлозы – до 50 % (клетчатки), белков, жиров, смол.
Кроме того, каждая растительная клетка содержит некоторое количество минеральных веществ, дающих при сжигании золу.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В низших растениях преобладают жиры, воски, смолы (до 30 %).
Накопление исходного вещества при образовании углей происходит двумя путями – автохтонным, если горючие ископаемые залегают на месте обитания растений и аллохтонным, если растения после гибели транспортируются с этого места.
(Авто - сам, хтон – земля, алло – другой, чуждый).
Главным признаком автохтонии служат хорошо сохранившиеся растительные
остатки и небольшое количество минеральных примесей. Для аллохтонного накопления характерны плохая сохранность и измельченность растительных остатков и
высокая минерализация ископаемых.
2.4 Стадии преобразования органического вещества
Характер разложения растительности зависит от среды, в которую она попадает после гибели. Выделяются следующие виды разложения: тление, перегнивание,
оторфения и гниение.
Тление происходит при полном доступе кислорода, вследствие чего органическая часть растения окисляется и уходит в форме газов в атмосферу.
Перегнивание и оторфение происходит при недостаточном содержании кислорода и изменении водной среды.
Процесс гниения идет в восстановительной среде.
Выделяется три стадии преобразования исходного вещества.
На первой – биогенной стадии агентами разложения являются грибки, микробы, бактерии, перерабатывающие в процессе жизнедеятельности, погибшие растительные организмы. Вначале основными переработчиками являются грибки, но по
мере погружения большую роль играют бактерии и микробы. При погружении на
глубину более 2 м в водную среду, бактерии погибают, и на этом заканчивается первая биогенная стадия.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вторая химическая стадия преобразования включает происходящие в течение
длительного срока химические реакции. При этом образуется коллоидная масса
сложного химического состава.
В условиях обводненности без доступа воздуха происходит процесс гелефикации с образованием аморфной коллоидной массы – геля.
При ограниченном доступе кислорода, создающем окислительную реакцию,
происходит процесс фюзенизации, при котором вещество превращается в твердый
коллоид – фюзен.
Третья, геологическая стадия, начинается с захоронения осадка под минеральной кровлей, в результате чего осадок становится горной породой. Исходное органическое вещество изменяется под воздействием повышающихся температуры и
давления. Процесс изменения органического вещества в период геологической стадии носит название углефикации.
При этом процессе осадок обезвоживается, в 5 - 6 раз уплотняется, жидкие
вещества превращаются в твердые.
Все изменения органического вещества по мере погружения на глубину и
ужесточения термобарических условий приводят, в конечном итоге, к преобразованию ОВ, обладающему кристаллической структурой – графиту.
Основу угля составляют конденсированные соединения, например, такого типа:
Это так называемые конденсированные, полициклические или полиядерные
ароматические углеводороды, у колец которых имеются общие атомы углерода (как
бы несколько сросшихся бензольных колец).
Боковые радикалы не показаны. Как раз в них находится водород, кислород (в
виде различных функциональных групп, например, ОН, СОН, СООН и др.) и гете-
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
роэлементы. Таких соединений от 70 % весовых у углей марки Г (газовые) до, практически, 100 % у антрацита (марка А).
Причем у газовых углей число сросшихся бензольных циклов, в основном, 23, а у антрацитов – 5-6, что уже можно считать зародышем элементарной ячейки
графита:
Н
Н
Н
Н
Н
Н Н
Н
Н
Н
Н
Н
Н
Н
Н
Н
+ Н2
Н
Н
Таким образом, первые стадии формирования – диагенез или торфянобуроугольная стадии, на которых развивались процессы при низкой температуре, в
водной или влагонасыщенной среде, без доступа воздуха (набухание, пептизация,
микробиологическая дезинтеграция, коллодирование, гумификация). На этой стадии
углефикации образовались торфа, бурые угли.
Последующая стадия – катагенетическая или каменноугольная, на ней развивается высокотемпературная (термическая) деструкция органического материала с
одновременной рекомбинацией и гетерополиконденсацией химических соединений.
В зависимости от степени удаления продуктов реакции на этой стадии продуктов
реакции на этой стадии образуются каменные угли и антрациты. Это и есть метаморфизм, то есть длительный (миллионы лет) пиролиз в отсутствии кислорода, при
повышенной температуре и давлении укрывающих горных пород.
При постепенном повышении температур во времени и при наличии гидростатического давления вышележащих пород протекает комплекс физико-химических
реакций с образованием в ископаемых углях ценных компонентов – носителей требуемых технологических свойств. В частности, повышенное содержание витринита
обеспечивает хорошую спекаемость угля. Высокая скорость нарастания температу19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ры (воздействие интрузий и др.) приводит к резкому снижению содержания витринита и ухудшению спекаемости угля.
Чем глубже метаморфизм, тем ближе по составу уголь к чистому графиту.
Физические и технологические свойства углей сильно зависят от глубины метаморфизма. Принято в соответствии с этой глубиной делить угли на следующие
марки:
Д ДГ Г ГЖО ГЖ Ж КЖ К КО ОС КС СС Т А
Глубина метаморфизма
Из них средняя часть спектра (жирный шрифт) – коксующиеся угли, а края
(очень молодые и очень старые) – энергетические, то есть просто топливо.
2.5 Пространственно-временные закономерности углеобразования
В начале ХХ века предпринимаются попытки к отысканию стратиграфических
и палеогеографических закономерностей размещения угольных залежей на Земном
шаре. В результате наметилось три подхода к решению этой задачи:
1. Палеоботанический (Цейлер, Готан, Потонье, Ионгманс, Залесский и др.).
2. Геотектонический (Штиле, Бубнов, Тетяев).
3. Палеоклиматический, иногда на основе мобилистических представлений (Вегенер, Кеппен, Зимрот, Страхов и др.).
Но, ни один из перечисленных подходов не дал цельной картины размещения
углей на геоиде.
П.И. Степанов создал концепцию глобального размещения угольной массы,
провел стратиграфический и палеогеографический анализ масс запасов углей, что
позволило обнаружить узлы и пояса угленакопления. Таким образом, угленосные
площади были выявлены по географо-статистическому, а не геолого-генетическому
принципу (таблица 5).
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 5 – Стратиграфическое распределения ресурсов горючих ископаемых
в мире, %
Возраст
Уголь
Нефть
Газ
Горючие сланцы
Кайнозой
16
25
10
55
Мезозой
37
65
62
9
Палеозой
47
10
28
36
По времени образования П.И. Степанов выделил три минимума и три максимума скопления углей промышленного масштаба:
1 максимум – верхний карбон и пермь (38,1 % мировых запасов);
2 максимум – юрский возраст (4 % мировых запасов);
3 максимум – верхнемеловый и третичный период (54,4 %);
1 минимум – нижний карбон;
2 минимум – триас;
3 минимум – нижний мел.
С начала 80-х годов исследователи вновь вернулись к этим проблемам, отдав
предпочтение, прежде всего, климатическому фактору.
В результате анализа размещения угольных бассейнов в структурах земной
коры Н.И. Погребнов установил, что генетические и структурные особенности
угольных бассейнов и промышленная оценка месторождений зависят от тектонического положения бассейна.
Современное классифицирование основывается на следующих принципах:
1. Эндогенный тектонический режим развития площади во время торфонакопления.
2. Принадлежность этой площади к конкретной геотектонической структуре (чехол, фундамент платформы, массив, складчатая область и т.д.).
3. Положение площади в этой структуре (внешнее, внутреннее).
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В настоящее время известно более 40 вариаций классификации угольных объектов, в основу большинства которых положен тектонический признак, наиболее
полно отражающий самые существенные признаки угленосных отложений.
3 Гумолиты
К гумолитам относятся такие твердые горючие ископаемые как торф, бурый
уголь, каменный уголь.
3.1 Торф
Торф – это горючее полезное ископаемое растительного происхождения,
предшественник генетического ряда углей, образовавшееся в результате неполного
распада растений. Современный торф не является полностью сформировавшейся
горной породой и представляет собой рыхлый осадок, в незначительной части подвергшийся диагенезу (преобразованию). Из торфяников современной геологической
эпохи в ископаемое состояние с образованием в будущем угольных месторождений
могут перейти лишь торфяники, располагающиеся в зоне отрицательных движений
земной коры.
Предпосылками торфообразования, кроме развития растительности, служат:
1. Коэффициент увлажнения больше единицы, то есть отношение выпадающих
осадков к количеству испаряющихся.
2. Отрицательные формы рельефа, обеспечивающие развитие водоемов.
3. Преобладание фотосинтеза над процессом распада (рождаемость флоры превышает отмирание).
По приуроченности к рельефу местности в торфяной геологии выделяют торфяники трех типов: верховой – на водоразделах, переходный – на террасах склона
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
водораздела и низинный – в поймах. Каждому типу свойственен особенный спектр
растений – торфообразователей.
В торфяниках верхового типа преобладают мхи и лишайники, в переходном и
низинном – травянистые растения, кустарниковые и древесные торфообразователи.
По внешнему виду торф в естественном состоянии представляет собой более или
менее однородную по составу и окраске массу черного или коричневого цвета различных оттенков. Его естественная влажность достигает 86 - 95 %. Сухое вещество
торфа, в основном, состоит из не полностью разложившихся растительных остатков,
потерявшего клеточную структуру аморфного вещества (гумуса) и минеральных
веществ.
Элементный состав взаимосвязан с его типом, ботаническим составом и степенью разложения. Средний элементный состав (% на органическую массу): С 48 65, О 25 - 45, Н 4,7 - 7, N 0,6 - 3,8, S до 1,2, реже до 2,5.
Пояса торфонакопления показаны на рисунке 1, карта районирования торфяного фонда бывшего СССР – на рисунке 2.
Общие мировые запасы торфа составляют – 260 млрд. т, по 25 млрд. т в Финляндии и Канаде, 14 млрд.т – в США. Максимальная добыча торфа в СССР (что
практически соответствуют России) составила в 1975 г. 90 млн.т.
Торф используется в самых различных направлениях: в качестве энергетического топлива, химического сырья для получения из него ценных продуктов – смол,
торфяного воска, парафина, как агроудобрение и подстилочный материал в сельском хозяйстве, для изготовления плотных звукоизоляционных плит в промышленности и т.д. В связи с тем, что повышенная добыча торфа в некоторых районах России нарушила экологическое равновесие, особенно по гидрогеологическому режиму, добыча торфа значительно сокращается.
В перспективе масштабы добычи торфа будут определяться, главным образом,
его потребностью в качестве сырья для приготовления удобрений.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1- интенсивного, 2 – слабого умеренных широт, 3 – слабого тропиков и субтропиков, 4 – слабого горных областей,
5 – слабого полярных областей, 6 – ничтожного
Рисунок 1 – Пояса торфонакопления (по М.Н. Никонову и В.П. Слука)
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Области торфяных месторождений разных типов: 1 – полярных реликтовых, 2 – верхового типа, 3 – низинного типа, 4 – центральносибирских, 5 – горнодолинных, 6 – приамурских низинных маломощных, 7 – привулканических, 8 –
«карельского» типа, 9 – субтропических, 10 – локальных топогенных низинного типа
Рисунок 2 – Карта районирования торфяного фонда СССР (по А.С. Оленеву)
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.2 Угли
3.2.1 Стадийность превращения углей (гумолитов)
Первая стадия превращения углей – это преобразование торфа в бурый уголь.
Такое превращение происходит под воздействием увеличения нагрузки на торф за
счет постепенного погружения территории торфяника и образования над ними песчано-глинистых осадков. Отличие бурых углей от торфа заключается в более высокой степени превращения остатков отмерших растений и в большом обогащении их
углеродом. Для бурых углей характерна бурая, реже черна окраска, рыхлое сложение – они легко выветриваются и обладают невысокой плотностью от 0,8 до 1,3 т/м3,
повышенное содержание гуминовых кислот, элементный состав – С – до 65 %, Н –
5,5 %, О+N+S – 30 %.
По степени уплотненности, содержанию гуминовых кислот и приближению
по внешнему виду к каменным углям бурые угли разделяют на 3 группы: землистые
– Б1, матовые – Б2 и блестящие – Б3.
На многих месторождениях среди бурого угля землистой группы Б 1 со слабой
степенью углефикации встречаются залежи слаборазложившейся, сохранившей
свою структуру древесины – так называемого «лигнита», иногда образующего в
толще бурого угля самостоятельные пласты.
Для бурых углей характерна высокая влажность – до 58 %, в результате интенсивной отдачи пластовой влаги на поверхности происходит растрескивание и
разрушение кусков угля с превращением его в мелочь.
Органическая масса бурых углей содержит сравнительно не высокое количество углерода (65 - 68 %), повышенное содержание кислорода (18 - 24 %), содержание водорода колеблется в пределах 4,5 - 5,9 %, азота – 0,5 - 1,5 %. При термическом
разложении бурые угли дают высокий выход летучих веществ (42 - 63 %). Теплота
сгорания составляет менее 24 МДж/кг.
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Разложение растительного вещества под действием повышающих температуры и давления под тяжестью перекрывающих отложений обуславливают переходы
бурых углей от землистых к все более плотным и, в конечном итоге, к каменным углям.
Каменные угли, в отличие от бурых, имеют черный цвет, более сильный
блеск, большую плотность. Они содержат больше углерода (76 - 92 %), меньше кислорода (16 - 1,5 %), количество водорода остается на уровне бурого угля – 4,5 – 6 %.
Теплота сгорания более высокая – 32 - 36 МДж/кг.
Процесс углефикации охватывает широкий диапазон изменения свойств углей.
Выделяется до 6 стадий углефикации, каждая из которых характеризуется отличными от других параметрами: влажностью, выходом летучих веществ, содержанием углерода, водорода, кислорода, теплотой сгорания. Некоторые перчисленные
параметры для различных марок углей Донбасса приведены ниже (таблица 6).
Например, угли Донецкого бассейна делятся по степени метаморфизма на:
1.
Длиннопламенные, Д
2.
Газовые, Г
3.
Жирные, Ж
4.
Коксовые, К
5.
Отощенно-спекающиеся, ОС
6.
Тощие, Т
Таблица 6 – Марки углей Донбасса
Уголь
Длиннопламенный
Газовый
Газовый жирный
Жирный
Коксовый
Отощенно-спекающийся
Тощий
Антрацит
Марка
Д
Г
ГЖ
Ж
К
ОС
Т
А
Vdaf, масс.%
> 35
35
27-35
27-35
18-27
14-22
8-17
<8
Cdaf, масс.%
76
83
86
88
88
89
90
91-96
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При этом от первой до 6 стадии метаморфизма влага углей убывает от 7 % до
0,6 %, выход летучих веществ от 40 % до 10 %, также снижается содержание водорода и кислорода, теплота сгорания увеличивается от 32 до 36 МДж/кг.
Завершается процесс углефикации образованием антрацита. Антрацит – это
высоко метаморфизованный уголь. Он характеризуется повышенной плотностью
(1,4 – 1,7 т/м3), черным, с металлическим оттенком, цветом, высоким содержанием
углерода (не менее 95 %, таблица 7).
Таблица 7 – Средний элементный состав горючих ископаемых, мас. %
Элемент
Древесина
Торф
Бурый
уголь
Каменный
уголь
Антрацит
C
50
55
70
85
96
H
6
6
5
6
2
O+S+N
44
39
25
9
2
Дальнейший процесс метаморфизации углей приводит к образованию шунгита и, затем, графита органического.
Шунгит – высоко обуглероженное органическое вещество, занимающее место
между антрацитом и органическим графитом. Характеризуется пониженным содержанием углерода (60 % - 70 %), остальная составляющая его часть приходится на
минеральные примеси. В шунгите обнаружены растительные остатки, что свидетельствует о существовании высокоорганизованной растительности даже в протерозойскую эру.
Графит органического происхождения является продуктом наиболее высокой
стадии преобразования углей. Графиты образуются при контактном воздействии интрузий на угольный пласт, то есть при внедрении магмы в осадочные породы. Графит, в отличие от угля, имеет кристаллическое строение, содержит до 99 % углерода. Графит широко используется в промышленности.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.2.2 Предпосылки, необходимые для углеобразования
Основными предпосылками благоприятно сказывающимися на углеобразовании являются: фитологические (т.е. развитие растительности); климатические, обеспечивающие масштабы жизнедеятельности и характер растительного сообщества;
геоморфологические, обуславливающие обстановку для сохранения накопившегося
массива органического вещества; тектонические, создающие медленными вертикальными отрицательными движениями условия для захоронения массивов органического вещества.
Климатические условия и фитологические предпосылки
Для образования угольных месторождений необходимо накопление огромной
массы остатков древнего растительного материала. Основным условием для интенсивного развития растительности является благоприятный климат. Изучение ископаемых растений показывает их приспособленность к климатическим условиям.
Так, например, растения каменноугольного периода, давшие значительные накопления, имели высокий рост, толстые стволы и большие листья, слаборазвитую корневую систему. Эти данные свидетельствуют, что они произрастали в условиях теплого, влажного климата. Примерно таким же был климат в юрский период и в начале
палеогенового времени, что способствовало образованию крупных угольных месторождений.
Климатические условия отражаются на анатомическом строении и морфологии растений. Например, сезонность климата в ископаемых древесных остатках отчетливо выражается наличие годовых колец. Листья растительности в условиях теплого и влажного климата – мягкие, нежные, с большим количеством выделяющих
влагу пор, в засушливых условиях листья жесткие, плотные.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Происходящие в климате изменения создают в анатомии и морфологии растений различия в петрографическом составе углей, образовавшихся в различных климатических условиях.
Геотектонические предпосылки
Большое значение в начальный период торфо- и углеобразование оказывает
геоморфилогические особенности рельефа. Накопление органического вещества после гибели растительности происходит в областях пониженного рельефа, с заболоченными площадями.
В последующий период важным звеном в процессе углеобразования являются
геотектонические предпосылки. Главную роль в торфоуглеобразовании играют медленные эпейрогенические вековые колебания земной коры, то есть чередование
поднятия площади углеобразования с преобладающими опусканиями без изменения
ее структуры.
Этими движениями обеспечивается наращивание массива органического материала, компенсирующего амплитуду погружения и его захоронение отложениями
минерального состава – глинами, песками и др. Эти движения создают условия для
образования угленосной толщи, состоящей из значительного числа пластов угля.
Так в Донецком угольном бассейне их насчитывается около 330, в Кузнецком – 340,
в Верхнеселезском – до 560 пластов.
Такие области с очень глубоким погружением угленосных отложений до 10 20 км в угольной геологии называют «геосинклинальными».
Области углеобразования с малой величиной погружения (1-2 км) например,
Подмосковный, Камско-Ачинский и другие бассейны – называются «платформенными».
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4 Сапропелиты
К сапропелитам относится группа твердых полезных ископаемых, в образовании которых главное участие принимают представители низших растений и живого
мира в виде планктона.
Сапропелиты делятся на современные сапропели и ископаемые сапропелиты.
К современным сапропелям относятся образования, которые еще сохранили
некоторые структурные формы или полностью их утеряли и превратились в бесструктурную желеподобную массу. Сапропель образуется на дне водоема, часто в
основании торфяной залежи, жирную массу до нескольких метров толщины. По
внешнему виду это серо-коричневый ил с малым количеством углерода и повышенным содержанием кислорода (до 30 %), водорода и азота (5 – 8 %). Сапропель широко используется в медицине в виде лечебных грязей, в агрохимии – как стимуляторы роста растений, в животноводстве – как добавки к корму.
Ископаемые сапропелиты – залегают, как правило, в основании угольных пластов, мощность их не превышает 1 м. Состоят они из мелких водорослей, имеет серый или буроватый цвет, слабо выраженную слоистость, имеют повышенное содержание летучих веществ. Загораются от спички, при сгорании дают яркое коптящее
пламя, издавая запах жженой резины.
Сапропелиты залегают в виде маломощных прослоев незначительной протяженности и лишь редко образуют пачки промышленного значения. Являются ценным химическим сырьем. Отдельные разности – гагат – используются в ювелирном
деле.
Горючие сланцы
Это осадочная порода глинистого, известковистого или кремнистого состава,
содержащая 10 – 15 % иногда до 80 % органического вещества. Сланцы имеют пониженное количество, по сравнению с углями углерода (50 – 80 %) и более высокое
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
содержание кислорода (до 9 %), водорода (до 11 %). Сланцы от сапропелитов отличаются тем, что в их составе содержится большое количество тонкозернистого и обломочного материала неорганического происхождения.
Большая площадь распространения сланценосных толщ, их выдержанное
строение указывает на то, что горючие сланцы формировались в условиях открытого моря с нормальным газовым режимом при достаточном количестве низших организмов, растений и планктона.
Горючие сланцы широко распространены на территориях платформенного типа, используются тепловыми электростанциями в качестве топлива, для получения
высококалорийного газа и в химической промышленности.
5 Метаморфизм углей и вмещающих пород
Процесс превращения торфа в бурый уголь называется диагенезом. Процесс
дальнейшего перехода бурого угля в каменный и далее в антрациты в результате изменения химического состава и физических свойств угля под влиянием преимущественно повышенных температуре и давлении – метаморфизм углей.
Комплекс вторичных процессов, наложенных на органическое вещество в
торфяном болоте, ведущее к преобразованию исходного ОВ в торф, бурый, каменный уголь и антрацит называется обуглероживанием или углефикацией.
Метаморфизм подразделяется на следующие виды: статический, региональный, контактный, внеконтактный, динамометаморфизм и радиогенный.
Статический метаморфизм – это преобразование углей под воздействием статического давления вышележащих пород. Роль давления более отчетливо наблюдается на начальных стадиях преобразования органического вещества. Однозначного
количественного решения о значении давления в этом случае не имеется. Так,
например, угли на глубинах 5 км (Калифорнийский залив) принадлежат к бурым, а в
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Подмосковском бассейне после перехода пластов на глубину 1,5 км становятся каменными углями.
Региональный метаморфизм происходит при одновременном воздействии на
угли температуры и давления в период погружения угленосной толщи. Вся гамма
углей от бурых до антрацитов образуется в интервале температур от 35 ºС до 300 ºС
и при статическом давлении до 250 и более МПа. Следует отметить, что большинство исследователей считает, что именно региональные метаморфизм играет
наибольшую роль в процессе изменения ископаемых углей. Сущность этого вида
метаморфизма заключается в увеличении степени метаморфизма с повышением
стратиграфической глубины залегания угольных пластов (правило Хильта, 1823).
Для многих угольных бассейнов справедлива следующая закономерность. В
углях, залегающих в сходных тектонических условиях, с увеличением стратиграфической глубины уменьшается содержание летучих веществ и увеличивается степень
обуглероженности. В некоторых случаях (Донецкий бассейн) можно даже установить градиент изменения содержания летучих компонентов.
Контактный метаморфизм проявляется при воздействии на угли вторгшихся
в угленосную толщу изверженных пород, за счет резкого повышения температуры
до 1200 ºС. При этом в зоне контакта угленосной толщи с магмой происходит небольшое преобразование углей, резко меняются физические и химические свойства.
Так, например, на месторождениях Тунгусского бассейна каменные угли на расстоянии 5-10 м от интрузии преобразованы в естественный кокс, антрацит и графит.
Если магма не имеет непосредственного контакта с угленосной толщей, то такой вид воздействия на преобразование углей называется внеконтактным метаморфизмом. Степень воздействия интрузивного тела на угли зависит от мощности, состава и расстояния от пласта угля.
При динамометаморфизме (дислокационном или тектоническом) особую
роль играет давление, оказывающее влияние на изменения углей. При этом угленосная толща может испытывать и действие повышенных температур.
Радиогенный метаморфизм – это установленное в последнее время изменение
свойств углей под воздействием их облучения радиоактивными минералами. Радио33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
генный метаморфизм не имеет регионального значения и проявляется на небольших
участках.
При метаморфизме изменения претерпевают не только угли, но и вмещающие
породы. Так глины преобразуются до глинистых сланцев и аргиллитов, пески превращаются в алевролиты и песчаники и т.д.
6 Свойства и классификация углей
Основные сведения о составе и технической ценности угля дает технический
анализ – определение основных показателей качества топлива: влажности, зольности, выхода летучих веществ, теплоты сгорания, содержание серы общей т др.
Основная задача технического анализа – наиболее полно и четко охарактеризовать необходимые химические, физические и эксплуатационные свойства добываемого или используемого угля, с учетом специфических особенностей его назначения и применения. Для этого применяются следующие способы, методы и приемы
исследования.
Химические – используют классические приемы качественного, а главным образом количественного гравиметрического и титриметрического анализа. К ним относится определение влажности, зольности, содержания серы, летучих компонентов
и некоторые другие.
Физико-химические – используют методы спектрофотоколориметрии, потенциометрии, нефелометрии, атомно-абсорбционной и атомно-эмисионной спектроскопии, рентгенофлуоресцентные и т.д.
Физические – определение оптических характеристик, коэффициентов отражения и преломления, плотности теплоты сгорания и т.д. Сюда же можно отнести
групповой анализ с применением экстракции.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Специальные методы – определение или испытание различных эксплуатационных свойств продукта: спекаемость, коксуемость, пластометрические и дилатометрические исследования и т.д.
6.1 Макроскопические свойства
При макроскопическом изучении угля визуально определяют его макро- и
микроструктуру – то есть их состав, форму и взаимоотношения в образце угля, слое
или пласте.
Блеск углей служит одним из главных диагностических признаков для классификации гумусовых углей. В зависимости от степени метаморфизма он изменяется от тусклого до ярко-стеклянного у углей более метаморфизованных, и до металлического блеска – у антрацитов.
Среди гуммитов (таблица 3) и различают 6 типов углей (в зависимости от исходного растительного материала, условий захоронения и дальнейшего преобразования) различимых невооруженным глазом по блеску (макроскопически): два простых – витрен и фюзен, образованных из единого растительного обрывка, и четыре
сложных – кларен (блестящий), дюрено-кларен (полублестящий), кларено-дюрен
(полуматовый) и дюрен (матовый), которые состоят из нескольких разных мацералов, различимых лишь под микроскопом.
Фюзен (fusus – вытянутый)– (матовый) обугленные остатки растительных тканей, напоминают обычный древесный уголь, очень хрупок, пачкает пальцы, встречается в виде тонких линзочек и примазок по плоскостям напластования в угле.
Дюрен (durus – твердый) – плотный матовый уголь, часто наслоистый, обычно
имеет зернистое строение, и, как правило, в противоположность фюзену слагает отдельные слои и пласты, имеет угловатый излом. Состоит из скоплений фюзенизированных тканей, обрывков кутикулы, спор, смолы. В неоднородных дюренах встре-
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чаются тонкие линзы и полоски блестящего угля (витрена) и матового (фюзена).
Преобладают мацералы группы инертинита и липтинита (до 70 %).
Витрен (vitreus - стеклянный) – наиболее блестящая часть угля, как правило,
резко отграниченная от других ингредиентов, встречается в виде более или менее
длинных однородных линз (мощностью обычно не более 1 – 3 см), полос и штрихов;
очень хрупок на изломе часто видны мелкая глазковая отдельность и раковистый
излом; каких-либо иных включений или ингредиентов не встречается. Витрен, в отличие от фюзена, представляет собой остатки растительной ткани, подвергшиеся
процессам остудневания, а не обугливания. Сложен, как правило, структурным и
бесструктурным витринитом.
Кларен (clarus – светлый)– блестящий или полублестящий уголь; подобно дюрену может залегать мощными прослойками даже нацело слагать пласты угля;
включает небольшие линзы витрена и фюзена; обычно слоистый, менее блестящий
и менее хрупкий по сравнению с витреном, имеет раковистый излом. В проходящем
свете в тонких шлифах он обладает красно-бурым цветом. Состоит из скоплений гелифицированных стеблевых остатков с незначительной примесью спор и обрывков
кутикулы, заключенных в гелифицированной основной массе. Преобладают мацералы группы витринита (до 75 %).
Все различия улей определяются: их происхождением, отражающимися на
петрографическом составе, степенью метаморфизма, которая определяется физическими, химическими и петрографическими показателями и зольностью.
Цвет ископаемых углей – меняется у разных типов от серо-коричневого до
черного при высокой степени метаморфизации. У сапропелевых углей цвет может
иметь зеленоватый или желто-коричневый оттенок.
Структура углей определяется количеством, формой, размером и характером
чередования прослоев в пласте угля. Выделят структуры четырех типов: однородную, полосчатую, тонко-полосчатую и линзовидно-полосчатую.
К полосчатой структуре относят прослои угля толщиной более 50 мкм, к тонко-полосчатой – менее 50 мкм. В полосчатых углях участвуют в различных комбинациях простые ингредиенты: витрен и фюзен. Для сапропелитов характерно нали36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чие значительного количества остатков водорослей (богхед) или желтой бесструктурной основной массы (сапроколлит).
Линзовидно-полосчатая структура отличается тем, что полоски имеют короткую линзовидную форму и волнистое залегание.
Текстура углей характеризует условия образования углей. Выделяются слоистая и массивная структуры.
Слоистая структура связана с неравномерностью отложения угольного вещества, вследствие чего происходит замена растительного материала минеральными
отложениями.
Массивное отложение объясняется наличием однородных условий образования угля. Массивная структура характерна для сапропелевых углей. Для бурых углей характерна рыхлая, землистая структура.
Твердость минералогическая углей измеряется по шкале Мооса. У бурых углей она составляет 2, у каменных углей увеличивается до 3,5 и до 4 – у антрацита.
Трещиноватость углей по генетическому типу разделяют на первичную, вторичную и трещиноватость выветривания (гипергенную).
Первичная трещиноватость вызвана сокращением объема угольного вещества
в процессе метаморфизма. При этом трещины располагаются перпендикулярны к
наслоению.
Вторичная трещиноватость обусловлена возникающими при тектонических
процессах напряжениями: при сжатии трещины образуются под разными углами к
слоистости, при растяжении – обычно перпендикулярно к ней.
Гипергенные трещины образуются при выветривании углей, их форма и число
зависит от глубины этого процесса.
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.2 Химические свойства углей
При изучении химических свойств углей производят технический анализ, элементный анализ и определение коксуемости.
При техническом анализе в стандартных условиях определяют следующие параметры: влажность, зольность, выход летучих веществ, содержание серы, теплоту
сгорания, характер коксового остатка.
В угле различают органическую и неорганическую часть (массу). Для характеристики органической массы угля определяют элементный состав: соотношение
углерода, водорода, кислорода, азота, серы. Для полной оценки генетических и технологических особенностей топлива дополнительно проводят групповой анализ,
анализ свойств угля при термическом воздействии, определяют состав и выход летучих продуктов термического разложения, состав и свойства минеральной части
углей. Неорганическую часть составляют влага, минеральные примеси, различные
неорганические соединения серы, фосфора. Кроме того, для углей, богатых редкими
и цветными металлами, определяется содержание последних.
Влага и зола угля понижают теплоту сгорания и считаются балластом, остальная часть называется горючей массой.
Различают следующие виды влаги в углях: внешнюю, общую, влагу воздушно-сухого топлива (Wh), аналитическую (W a) и др.
Приведенное в равновесие с окружающим воздухом топливо называется воздушно-сухим. Влага, которая при этом удаляется, называется внешней и обозначается Wex. Таким образом, внешняя влага – часть общей влаги угля (Wt), которая удаляется при доведении его до воздушно-сухого состояния. Содержание общей влаги в
рабочем состоянии топлива вычисляется по формуле:
Wtr = Wrex + Wh ( 100 - Wrex / 100)
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Показатель «влага общая», так же как и показатель «влага внешняя», используется для оценки технологических свойств угля.
Влажность лабораторная или аналитическая – это влага, которая сохраняется
при нагревании угля до 105 °С.
Термины, определения и обозначения различных состояний топлива сведены в
таблицу 8.
Таблица 8 – Определения различных состояний топлива (ГОСТ 27313-95
(ИСО 1170-77))
Термины
Рабочее состояние
Верхний
индекс
r
Аналитическое
состояние
a
Сухое состояние
Сухое беззольное состояние
Органическая
масса топлива
Влажное беззольное состояние
d
daf
o
af
Определение
Топливо с таким содержанием влаги и зольности,
с которыми оно добывается, отгружается и используется
Топливо с крупностью частиц менее 0,2 мм, приведенное в равновесие с условиями лабораторного
помещения
Состояние топлива без содержание общей влаги
(кроме гидратной)
Условное состояние топлива, не содержащего
общей влаги и золы
Условное состояние топлива без содержания влаги и минеральной массы
Условное состояние топлива без содержания золы, но с влажностью, соответствующей данному
состоянию топлива
Содержание рабочей влажности в торфе достигает 90 %, в бурых углях до
60 %, в каменных – 15 %, в антраците – до 3 %.
Для пересчета влажности для различных состояний топлива применяют формулы, приведенные в таблице 9.
Минеральные вещества углей имеют различное происхождение и могут быть
разделены на внутренние и внешние. Внутренние минеральные вещества образовались из минеральной части растений, которые послужили материалом для формирования угля. Это наименьшая часть примесей угля.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 9 – Формулы пересчета результатов анализа влажности топлива для
различных его состояний
Состояние топлива
Рабочее, r
Рабочее, r
1
Пересчет в состояние топлива
АналитичеСухое, Сухое без- Органическая
ское, а
d
зольное, daf
масса,o
100  W a
100  Wt r
Аналитическое,
а
100  Wt r
100  W a
1
Сухое,d
100  W a
Сухое беззольное, daf
100  Wt r
100
100  (Wt r  Ar )
100
Органическая
масса, o
100  (Wt r  M r ) 100  (W a  M a )
100
100
100
100
100
r
r
100  Wt r 100  (Wt r  Ar ) 100  (Wt  M )
100
100
100
100  W a 100  (W  A )
a
1
100
100  A
100
100  (W a  Aa )
100  Ad
100
100
a
100  (W a  M a )
100
d
1
100  M d
100  Ad
100  M d
100  M d
100  M d
100
100  Ad
1
Внешние минеральные вещества попадают в уголь из окружающих пород,
грунтовых вод. Минеральные вещества угля представлены разнообразными элементами. На 95 % они состоят из соединений кремния, алюминия (оксиды, алюмосиликаты), железа (сульфиды, оксиды, карбонаты), кальция и магния (карбонаты сульфаты). В небольшом количестве содержатся соединения калия, натрия, редкие и рассеянные элементы, а также благородные металлы. Минеральные примеси в угле весьма нежелательны. Они вызывают излишние затраты на перевозку угля, при сжигании угля снижают теплоту его сгорания.
Непосредственное определение минеральных веществ угля представляет
большие трудности ввиду сложности их состава. В аналитической практике о содержании минеральных веществ в угле принято судить косвенно по количеству золы, которая остается после сгорания угля при свободном доступе воздуха. Зола –
твердый негорючий остаток, получающийся при сжигании угля. Зольность обозначается индексом А.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Количество золы в углях изменяется в широких пределах. По зольности угли
делят на три класса: малозольные (Аа до 20 %); средней зольности (Аа = 20 – 35 %);
Многозольные (Аа = 35 – 50 % и более). Для снижения зольности угля используются
различные методы обогащения – главным образом, гравитационный.
Выход летучих веществ – это количество газо- и парообразных продуктов,
выделяемых углем при его нагревании до 850 °С без доступа воздуха. В состав летучих веществ входят пары воды, метан, диоксид и оксид углерода, кислород, сернистый газ, смола (первичный дёготь) и другие соединения. Выход летучих веществ
колеблется в широких пределах и служит основным классификационным показателем для каменных углей в большинстве классификаций мира (таблица 6) и установления их пригодности для получения кокса. Выход летучих веществ обозначается
индексом V г. Выход летучих веществ уменьшается от 67 % у бурых углей до 2 % у
антрацита.
Коксуемость - свойство измельчённого угля спекаться с последующим образованием кокса с установленной крупностью и прочностью кусков. Кокс – нелетучий горючий остаток после термического разложения угля и удаления из него летучих веществ. По внешнему виду и прочности кокс меняется от порошкообразного у
бурых углей до хорошо сплавленного с металлическим блеском у коксовых и жирных углей. Последний вид кокса применяется в металлургической промышленности
при выплавке чугуна и стали.
Результаты элементного анализа служат для общей характеристики и классификации топлива и позволяют судить: по содержанию водорода - о природном типе
углей (гумусовый, сапропелевый), по соотношению углерода, кислорода и водорода
- о степени метаморфизма (таблица 7).
При элементном анализе определению подлежат содержание углерода, кислорода, водорода, азота, общей серы, а для установления пригодности коксующегося
угля для черной металлургии – содержание фосфора.
Элементный состав определяют по ГОСТ 2408.1-95 и 2408.3-95. Экспериментально устанавливают содержание углерода, водорода и азота. Кислород рассчитывают по разности:
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оdaf = 100 % - (Cdaf+ Hdaf+ Ndaf)
Содержание углерода служит одним из главных параметров в классификации
углей во всех странах. Содержание углерода в углях изменяется от 60 % до 96 %,
возрастая с увеличением степени метаморфизма. Особенно быстро возрастание идёт
у бедных углей марок Б, Д и Г, у которых содержание углерода является чувствительным показателем метаморфизма. На более высоких стадиях углефикации содержание углерода возрастает менее интенсивно, и его классификационное значение
уменьшается.
Содержание водорода (1,3 - 10 %) изменяется в ряду метаморфизма по кривой
со слабо выраженным максимумом на II каменноугольной стадии. На содержание
водорода существенно влияет петрографический состав: отмечается уменьшение
содержания водорода с ростом содержания мацералов группы инертинита и увеличение с ростом мацералов группы липтинита. Содержание водорода в углях одного
генетического ряда колеблется в узких пределах и закономерно связано со степенью
метаморфизма и выходом летучих.
Водород в несвязанной с кислородом форме в диапазоне гумусовых углей содержится в пределах 0,8 - 6,5 %, в сапропелевых углях – 7 - 11 %.
Наиболее резко и последовательно в ряду гумолитов изменяется содержание
кислорода – от 29 - 40 % в торфе до 1,5 - 0,2 % в антраците. В сапропелитах его содержание обычно выше 9 %. Наибольшая скорость изменения содержания кислорода на низших стадиях метаморфизма. На величину содержания кислорода в изометаморфных углях оказывает существенное влияние их окисленность.
Элементный состав углей в зоне выветривания, где проявляются окислительные процессы (до 50 - 100 м), повышается содержание кислорода, разрушается значительная часть органического вещества, что приводит к снижению качества углей.
Азот входит в состав органической части угля в виде сложных соединений.
Источником
азота
в
углях
являются
азотистые
соединения
растений-
углеобразователей. Содержание азота в гумусовых углях колеблется от 0,4 % до
4,2 %, в некоторых сапропелитах доходит до 5,7 %.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сера в углях по типу соединений разделяется на пиритную, сульфатную и органическую. Основную роль в балансе серы играют сульфидная и органическая разновидности, причём выделение последней является несколько условным, так как за
её содержание принимается разность между содержанием серы общей и суммой
сульфидной и сульфатной.
Пиритная сера находится в виде тонких частиц или в виде крупных желваков,
при значительном их количестве являющихся самостоятельным объектом добычи.
Сульфатная сера содержится в форме тонких пленок в небольшом количестве
– не более 0,3 %. Относится к наиболее вредной примеси из-за высокой корродирующей способности.
Содержание серы общей - один из основных показателей качества как технологических, так и энергетических углей - нормируется техническими условиями для
большинства направлений использования.
По содержанию серы выделены следующие промышленные группы углей:
I группа – малосернистые – от 0,5 % до 1,5 %;
II группа – среднесернистые – 1,6 % - 2,5 %;
III группа – сернистые – от 2,6 % до 4 %;
IV группа – высокосернистые – более 4 %.
Промышленные угли редко содержат более 5 % серы. Так, Кузнецкие и Карагандинские угли содержат в среднем 0,5 % серы, в некоторых углях она присутствует в виде следов. Угли с большим содержанием серы (6 % и более) имеются на Урале в Кизеловском бассейне и в закавказских месторождениях.
В органической и минеральной частях углей могут содержаться соединения
цветных металлов, редких и рассеянных элементов, в том числе и благородные металлы. Суммарная концентрация этих, так называемых «малых элементов» обычно
не превышает 1 % сухой массы углей. Чаще всего содержание этих элементов не
превышает фоновые значения, но на некоторых месторождениях некоторые из них
приобретают значение и являются компонентами попутного извлечения и промышленного использования. Одновременно они могут быть и вредными или токсическими примесями. Минимальные концентрации в углях вредных элементов, при ко43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
торых они рассматриваются как токсичные и подлежат изучению, следующие (в г/т
сухого угля): бериллий – 50, мышьяк – 300, кобальт – 100, ванадий – 100, марганец –
1000, ртуть – 1, никель – 100, селен – 1000, свинец – 50, хром – 100, фтор – 500.
Для определения в углях «малых элементов» используют полуколичественные
и количественные физико-химические методы: атомно-абсорбционные, атомноэмиссионные, рентгенофлуоресцентные и др. (Панкратьев, Пономарева, 2008).
Групповой анализ предусматривает разделение сложных органических смесей
(гетеромолекулярных веществ) на группы веществ, которые обладают одинаковыми
свойствами по отношению к действию органических растворителей, щелочей, неорганических кислот и ряда других реагентов. Групповой состав твердых горючих ископаемых изучают для оценки качества исходного сырья для экстракционного производства (например, производство Монтан – воска, углещелочных реагентов).
В составе твердых горючих ископаемых при групповом анализе, как правило,
выделяют:

битумы – это вещества, которые выделяются из углей при экстракции (избирательном растворении) органическими растворителями;

гуминовые кислоты – это вещества, выделяемые из углей при щелочной
экстракции и осаждаемые из выделяемых растворов неорганическими кислотами;

фульвиновые кислоты – часть выделяемых при щелочной экстракции продуктов, не осаждаемых из раствора минеральными кислотами;

гематомелановые кислоты – часть гуминовых кислот, которые растворяются в этиловом спирте;

остаточный уголь – продукт, оставшийся после извлечения из углей битумов и гуминовых кислот. Его используют как энергетическое топливо.
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.3 Физические свойства углей
К основным физическим свойствам относятся такие параметры как плотность,
твердость, пористость, трещиноватость, механическая прочность, цвет, блеск (отражательная способность), теплота сгорания.
Плотность углей является важным показателем. Она имеет значение как для
решения практических, так и теоретических задач. Плотность углей меняется в зависимости от петрографического состава, степени углефикации, количества и характера минеральных примесей, влаги и др. Так, например, у бурых углей она составляет от 0,8 – 1,35 г/см3, у каменных – 1,35 – 1,45 г/см3, у антрацитов от 1,45 –
1,70 г/см3. наименьшая плотность у липтобиолитов.
Твердость - это сопротивление механическому воздействию другого более
прочного тела. Твердость углей зависит от стадии метаморфизма, его природы и
петрографического состава. Твердость определяется по шкале МООСА. В бурых и
каменных углях она изменяется в пределах 2 – 3, у антрацитов – до 4. Наименьшая
твердость у углей марок Ж и К.
Пористость угля – отношение объема пор к объему угля, измеряется в процентах, и колеблется в пределах 4 - 12 %.
Трещиноватость углей была рассмотрена выше в разделе 6.1.
Механическая прочность – способность угля реагировать на удар, раздавливание, разрезание и изгиб. Наиболее хрупкие фюзеновые, далее следуют витреновые и
клареновые, наиболее стойкие – дюреновые угли.
Цвет углей обычно изменяется от бурого и темно-серого до черного. Бурый
оттенок связан с низкой степенью углефикации и характерен для бурых углей и сапропелитов. Каменные угли имеют черный или темно-серый цвет. Антрациты, как
правило, черные с желтоватым или сероватым оттенком, бывают и темно-серыми
или серыми.
Блеск – одно из самых характерных свойств углей. Блеск усиливается по мере
увеличения степени углефикации. Различают оттенки блеска: смолянистый и алмаз45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ный – у кларена, стеклянный у витрена, шелковистый у фюзена, матовый – у дюрена.
Электрические свойства углей определяются способностью проводить электрический ток. Ископаемые угли относятся к полупроводникам. Удельная сопротивляемость находится в пределах от 1 до 3000 Ом . м. Электропроводность углей
повышается с выходом летучих веществ и возрастанием содержания углерода.
По магнитным свойствам ископаемые угли относятся к диамагнитным веществам, для них характерно небольшое отрицательное значение магнитной восприимчивости, которая для чистого угля закономерно возрастает с увеличением стадии
метаморфизма. Диамагнитные вещества слабо отталкиваются внешним магнитным
полем. При отсутствии внешнего поля диамагнитные вещества не сохраняют никакого магнитного момента.
Теплота сгорания топлива – это основной энергетический показатель угля.
Теплота сгорания топлива может выражаться в ккал/кг (техническая система),
МДж/кг (система СИ), обозначается индексом Q.
Пересчет значений теплоты сгорания для различных состояний угля выполняют по формулам. Высшая теплота сгорания, пересчитанная на сухое беззольное
состояние угля Qsaf, характеризует природный тип угля, степень его углефикации,
вещественный состав; низшая теплота сгорания рассчитывается на рабочее состояние массы угля Qir и выражает количество тепла, которое с учетом балласта (влаги и
золы) может быть практически реализовано при сжигании.
Удельная теплота сгорания – это количество тепла, выделяемое при полном
сгорании единицы массы твердого топлива. Теплота сгорания определяется экспериментально в калориметрической бомбе, Теплота сгорания обезвоженного торфа
достигает 20 – 24 МДж/кг, бурого угля – 29 - 31 МДж/кг, каменных углей – 32 –
37 МДж/кг, антрацита – 33 – 36 МДж/кг (таблица 9).
Для сравнения теплового эффекта от сжигания разных видов топлива и углей
различного качества используют понятие условного топлива. За условное принимается топливо с низшей теплотой сгорания 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг). Теплота сгорания горючей части топлива зависит от его состава и степени метаморфизма (таб46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лица 10) и в первую очередь, от содержания углерода и водорода, причём особо существенное влияние оказывает водород, один процент которого дает тепла в 3,5 раза
больше, чем такое же количество углерода.
Таблица 10 - Высшая теплота сгорания основных видов твердого топлива
Топливо
Qsaf. МДж/кг
Qsaf, ккал/кг
Торф
23-24
5500-5700
Бурый уголь
26-32
6100-7700
Каменный уголь
32-37
7700-8800
Антрацит
34-36
8000-8500
Кроме того характеристикой физических свойств углей являются оптические
признаки: показатель отражения, показатель преломления, люминесценция, а также
упругие свойства, акустические свойства. Изучение этих параметров требует применение высокоточного лабораторного оборудования.
6.4 Петрографические свойства углей
Петрографические исследования проводятся для оценки свойств углей, условий их образования, систематики по генетическим и технологическим параметрам, а
также при определении направления использования углей в народном хозяйстве.
Сущность исследований заключается в изучении под микроскопом органических и неорганических остатков (спор, водорослей, смоляных телец, растительных
тканей, то есть все то, что сохранило признаки принадлежности к растительности) и
диагностики микрокомпонентов углей – мацералов и минеральных примесей в отраженном свете.
В петрографии углей основой является понятие микрокомпонент или мацерал.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Мацералы – микрокомпоненты углей, различимые под микроскопом, элементарные органические составляющие угля, хемогенные по веществу, имеющие характерные оптические признаки (цвет, рельеф, отражательная способность, показатель
преломления и т.д.). Мацералы аналогичны минералам, слагающим неорганическую
часть породы, отличаются менее постоянным химическим составом и изменяющимися физическими свойствами. Основные группы мацералов – витринит, инертинит,
липтинит (таблица 11, ГОСТ 9414 – 74).
Таблица 11 – Мацералы, группы мацералов и минеральные включения
Группа мацералов
Наименование
Обозначение
Витринит
Vt
Семивитринит
Sv
Инертинит
I
Липтинит
L
Минеральные
включения
M
Мацералы
Наименование
Обозначение
Телинит
Коллинит
Витродетринит
Семителинит
Семиколленит
Семифюзенит
Макринит
Фюзинит
Склеротинит
Инертодетринит
Микринит
Споринит
Кутинит
Резинит
Суберинит
Альгинит
Липтодетринит
Глинистые
Сульфиды
Карбонаты
Окислы кремния
Прочие минеральные включения
Vtt
Vtk
Vtvd
Stt
Stk
Isf
Ima
Ig
Isk
Iid
Imi
Lsp
Lkt
Lr
Ls
Lal
Lid
Mge
Ms
Mk
Mkr
Mpr
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Методы определения петрографического состава углей регламентируются
стандартами (ГОСТ 9414 – 74). Стандарт распространяется на плотные, блестящие
бурые, каменные и антрациты и устанавливает метод определения петрографического состава по мацералам, группам мацералов и минеральным включениям для
характеристики технологических свойств углей, при разведке, разработке месторождений, промышленном использовании и классификации.
Семивитринит выделяют в самостоятельную группу при содержании его в угле выше 3 %.
Мацералы объединяют в группы по их показателю отражения, цвету, структуре, микрорельефу, которые выделяются в результате сравнения отдельных мацералов между собой в микроскопах отраженного света.
За эталон показателя отражения и рельефа приняты мацералы группы витринита.
Внутри групп мацералы различаются по сохранности их растительной структуры или морфологическим признакам.
Минеральные включения различают по отражательной способности (R), высоте микрорельефа, цвету и форме залегания.
Содержание мацералов определяют в аншлифах под микроскопом в отраженном свете с применением масляной иммерсии и увеличением в 300 – 600 раз.
Минеральные включения подсчитывают в воздушной среде в отраженном свете при увеличении в 200 – 300 раз.
Ниже приведена краткая характеристика мацералов и их групп.
Группа витринита
Компоненты этой группы имеют ровную поверхность и серый цвет различных
оттенков, изменяющийся при увеличении стадии метаморфизма до светлых тонов.
Рельеф менее выражен, чем у других мацералов. По цвету и рельефу эту группу
принимают за эталон.
Показатель отражения в иммерсионном масле от 0,4 % до 4,5 % и более.
Микротвердость зависит от степени углефикации и условий превращения и
колеблется от 200 – 350 МПа.
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Мацералы с отражательной способности от 0,64 % до 1,85 % переходят в пластическое состояние. Это их свойство, так же как и поведение в процессе коксования зависит от степени углефикации и восстановленности.
Группа семивитринита
Занимает
промежуточное
положение
по
химическим
и
химико-
технологическим свойствам, но ближе к группе витринита. Мацералы этой группы
по цвету и отражательной способности являются первым переходом от витринита к
инертиниту. Группа не имеет рельефа, цвет серый или серовато-белый, но всегда
более светлый, чем у группы витринита R – от 0,6 % до 2,7 %. Микротвердость 250
– 420 МПа.
Группа инертинита
Характеризуется высоким R – 0,7 % – 5,5 % и резковыраженным микрорельефом. Цвет изменяется от белого до желтого. Микротвердость от 500 – 2300 МПа.
Мацералы этой группы не переходят в пластическое состояние и не спекаются на
всех стадиях метаморфизма.
Группа липтинита
Мацералы этой группы отличаются между собой по морфологическим признакам. Форма и размер зависит от исходного раствора вещества. Цвет от темнокоричневого до черного и серого, в зависимости от стадии углефикации. R – самый
низкий – от 0,21 % до 1,2 % в зависимости от стадии углефикации. Микротвердость
от 80 до 250 МПа.
При коксовании образуют более подвижную пластическую массу, чем мацералы группы витринита.
Мацералы этой группы лучше всего определять флуоресцентной спектроскопией, так как каждый мацерал флуоресцирует определенным цветом: ярко-зеленым,
зеленым, сине-зеленым, желтым, оранжевым, оранжево-коричневым и красным.
Минеральные включения в отраженном свете без иммерсии резко отличаются
от мацералов и могут быть подсчитаны отдельно от них.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.5 Вопросы и упражнения
1.
Что представляет собой внешняя влага угля, как она определяется? Для каких
целей используют этот показатель?
2.
Какое состояние топлива называется рабочим, воздушно-сухим, сухим?
3.
Что представляет собой общая влага угля? Для каких целей используют этот
показатель?
4.
Для каких целей используют показатель «влага аналитического состояния
топлива»?
5.
Как влияет влага, содержащаяся в угле, на его использование?
6.
Навеску угля в рабочем состоянии массой 50,0 г высушили до воздушносухого состояния, при этом его масса составила 42,7 г. Вычислить содержание
внешней влаги угля. (Ответ: 14,6 %).
7.
Внешняя влага пробы бурого угля составляет 20,0 %, влага аналитической
пробы 5,0 %. Определить общую влагу образца. (Ответ: 24,0 %).
8.
Внешняя влага пробы каменного угля составляет 7,3 %, влага аналитической
пробы – 3,2 %. Определить общую влагу образца. (Ответ: 10,4 %).
9.
Навеска пробы бурого угля Тюльганского месторождения массой 100 г высушена до воздушно сухого состояния, при этом масса ее стала 75,5 г. Для определения влаги аналитической пробы взята навеска воздушно-сухого топлива
2,0500 г. После высушивания пробы масса ее составила 1,9143 г. Вычислить
содержание внешней влаги и общее содержание влаги в рабочем состоянии
топлива. (Ответ: 24,5 %, 29,5 %).
10.
Для определения внешней влаги взята навеска пробы угля Уральского бассейна массой 100 г. После доведения пробы до воздушно-сухого состояния масса
ее стала 89,9 г. Для определения влаги аналитической пробы взята навеска
воздушно-сухого топлива массой 1,2500 г. После высушивания пробы масса
ее уменьшилась на 0,0138 г. Вычислите содержание внешней влаги и общее
содержание влаги в рабочем состоянии топлива. (Ответ: 10,1 %, 11,1 %).
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11.
Для определения влаги аналитической пробы взята навеска воздушно-сухого
топлива массой 1,2500 г. После высушивания пробы масса ее уменьшилась на
0,0138 г. Вычислить содержание внешней влаги и общее содержание влаги в
рабочем состоянии топлива. (Ответ: 10,1 %, 11,1 %).
12.
Каково происхождение минеральных примесей угля?
13.
Укажите основные компоненты минеральной части угля.
14.
Как влияет повышенная зольность угля на его применение?
15.
Что подразумевается под обозначениями Aa, Ad, Ar ?
16.
Аналитическую пробу угля массой 1,8560 г прокалили до постоянной массы
0,0982 г. Определить зольность этой пробы. (Ответ: 5,3 %).
17.
Навеску угля в рабочем состоянии массой 80,0 г высушили до аналитического
состояния, при этом его масса составила 69,6 г. Из полученной пробы взяли
две навески по 1,0000 г. Вес одной из них, высушенной при 160 °С, составил
0,09180 г, а другой, прокаленной при 800 °С, составил 0,0990 г. Рассчитать по
этой данным содержание внешней и общей влаги и зольность рабочего состояния угля. (Ответ: 13,0 %; 20,1 %; 8,6 %).
18.
Для определения зольности аналитическую пробу угля массой 1,5040 г прокалили до постоянной массы 0,1022 г. Вычислить зольность аналитического и
сухого состояния угля, если влага аналитической пробы составляет 30 %. (Ответ: 6,8 %; 7,0 %).
19.
Образец рабочего угля содержит 8,3 % золы. Воздушно-сухая проба того же
угля содержит 10,0 % золы и 0,5 % влаги. Определить общую влагу рабочего
состояния топлива. (Ответ: 17,4 %).
20.
Какие процессы происходят в угле при нагревании его без доступа воздуха?
21.
Каков выход летучих у бурых, каменных углей и антрацитов?
22.
Навеску аналитической пробы бурого угля массой 1,1500 г прокалили без доступа воздуха в течение 7 минут при 850 °С, при этом масса остатка оказалась
равной 0,6840 г. Определить содержание летучих компонентов в пробе, если
ее влажность составила 7,8 %. (Ответ: 38,8 %).
23.
Воздушно-сухая проба угля содержит 3,7 % влаги. Выход летучих веществ
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
составляет 20,4 %. Определить выход летучих веществ в пересчёте на сухое
беззольное состояние топлива, если зольность топлива в сухом состоянии 11,8
% (Ответ: 24,0 %).
24.
Для определения выхода летучих веществ была взята проба угля Донецкого
бассейна 1,1500 г. После нагревания без доступа воздуха масса нелетучего
остатка составила 0,9660 г. Рассчитать выход летучих веществ в воздушносухом и сухом угле, если влага аналитической пробы угля составляет 2.0 %.
(Ответ: 14,0 %; 14,3 %)
25.
В каких пределах колеблется содержание серы в углях?
26.
Как влияет сера в угле на его использование?
27.
Рассчитайте статистические параметры геохимических данных металлоносности горючих полезных ископаемых Оренбургской области по данным таблицы
12.
7 Угленосные формации
Угольная формация – это полифациальная, ритмически построенная толща
парагенетически связанных между собой комплексов угленосных пород, включающих залежи угля, образовавшаяся в различных геотектонических и фациальных
условиях, что обусловило многообразие пространственного распространения, мощностей, состава угленосных формаций, количественными и качественными параметрами их угленосности, характера перехода в другие неугленосные подстилающие и
перекрывающие образования.
В зависимости от типа и эволюции отрицательных структур земной коры, в
которых происходило образование угленосных формаций, площади их распространения могут варьироваться от нескольких км2 до десятков и сотен тысяч км2, при
изменении мощности — от десятков метров до нескольких километров. Иногда имеет место постепенный переход от подстилающих (обычно морских) отложений к
прибрежно-морским и континентальным угленосным формациям, или — образова53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ние угленосных формаций начинается после значительного стратиграфического перерыва на размытой поверхности более древних образований.
Некоторые крупные угольные бассейны (например, Кузнецкий, Карагандинский) являются полиформационными.
Угленосные формации характеризуются, как правило, ритмичным строением,
обусловленным изменением на фоне общего длительного погружения областей
осадконакопления знака и амплитуд колебательных движений низших порядков.
7.1 Состав и строение угленосных формаций
Типы угленосных формаций выделяют по многим признакам, учитывающим
причинность и взаимосвязь факторов их образования, специфические черты состава,
строения, количественные и качественные характеристики угленосности.
К числу таких признаков относятся: геоморфологические, стратиграфические,
географические, вещественный состав, условия образования и т.д. В соответствии с
этим, формациям придаются такие названия, например, морская континентальная,
озерно-болотная, глинистая, песчаная, Тургайская, Канско-Ачинская и т.д.
Образование угленосных толщ происходит по общему для всех осадочных пород принципу чередования нисходящих и восходящих движений на общем фоне погружения площади, то есть размыв пород в повышенной части рельефа и снос их в
пониженные элементы рельефа. Дифференциация продуктов эрозии при этом происходит в зависимости высоты и близости области сноса, крупности зерен разрушенной породы.
Состав угленосных отложений разнообразен. Слагающие угленосные формации породы представлены преимущественно глинистыми, глинисто-песчаными и
песчаными разностями; подчинённое значение имеют галечники, конгломераты.
Конгломераты знаменуют начало нового и конец старого цикла осадконакопления.
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В паралических бассейнах широкое развитие получили карбонатные осадки (в основном известняки).
С внедрением в угленосные формации интрузий связано наличие различных
по составу магматических пород.
В разрезе угленосных формаций выделяются горизонты, в которых прослеживается закономерное постепенное изменение гранулометриического состава пород с
переходом тонкозернистых биогенных и хемогенных осадков (угли, углистые породы, известняки) к более крупнозернистым кластическим — от глин (аргиллитов) до
песков (песчаников), и в обратной полной или частичной последовательности при
законченном или незавершённом ритме колебания.
Основную часть угленосных отложений, как правило, составляют песчаники.
Они различаются по континентальному или морскому происхождению, по величине
зерен. Песчаники часто содержат грубые обломки растений или минерализованные
стволы деревьев, которые при своей многочисленности и вертикальном положении
создают картину древнего леса.
Аргиллиты (глины) по встречаемости в угленосных отложениях занимают
второе место, в некоторых угольных бассейнах имеют господствующее распространение.
Алевролиты в общем разрезе угольной толщи имеют подчиненное значение.
Известняки в угленосных отложениях имеют небольшую толщину (1 - 3 м)
иногда до 10 м, служат хорошим репером при корреляции разрезов. Их толщина в
общей толще, как правило, не превышает 1 %.
Горелые породы – горелики – представляют собой зону обжига различных пород, подвергшихся подземному или приповерхностному пожару. Они трудно подвергаются разрушению и обычно образуют возвышенные части рельефа в виде курганов.
Угли в разрезе угольной толщи занимают обычно около 1 % или менее ее
суммарной толщины, но бывают редкие случаи когда они составляют более половины разреза тощи при наличии очень мощных угольных пластов.
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Характеристикой насыщенности угленосной толщи углем является нижеследующие величины.
Коэффициент угленосности, который представляет собой отношение суммарной толщины всех пластов угля к общей толщине заключающей их угленосной
толщи:
К
h
100% ,
H
где h – суммарная толщина угольных пластов, м;
Н – общая толщина угленосной толщи, м.
Другим показателем является углеплотность, под которой понимают величину запасов угля на 1 км2 горизонтальной поверхности месторождения:
Куп 
Q
,
S
где Q – количество угольной массы, т;
S – площадь месторождения, км2.
7.2 Угольные пласты
Угольный пласт – это скопление угля любой толщины.
Пласты малой толщины (10 – 15 см) называют прослоями. Почвой и кровлей
угольного пласта практически всегда служат глинистые и алевролитовые породы.
Формирование угольных пластов их строение и толщина осуществляется на
стадии образования торфяника и определяется количеством растительного материала, поступающего в водоем, и скоростью погружения этого участка.
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При преобладании процесса погружения над приростом слоя растительного
материала в водоем начинают поступать минеральные отложения, образующие
кровлю слоя. Превышение величины поднятия приводит к размыву торфяного массива.
Угольные пласты подразделяются по мощности:
 весьма тонкие до 0,7 м;
 тонкие от 0,71 до 1,2 м;
 средней мощности от 1,21 до 3,5 м;
 мощные свыше 3,5 м.
По углу падения угольные пласты делятся на:
 пологие до 18°;
 наклонные от 19° до 35°;
 крутонаклонные от 36° до 55°;
 крутые от 56° до 90°.
Пласты угля по строению разделяются на простые, то есть сложенные углем
без каких-либо прослоев породы и сложные, в которых пачки угля чередуются с такими прослоями.
Простое строение, как правило, имеют угольные пласты малой толщины (0,5 1 м), однако в Кузнецком бассейне известны платы угля толщиной до 10 м.
В пластах сложного строения выделяют толщину трех видов: общую, полезную и рабочую.
Общая толщина – это толщина от почвы нижней пачки до кровли верхней со
всеми породными прослоями.
Полезная толщина – это суммарная толщина пачек угля, составляющих пласт.
Во многих случаях разрабатывается не весь пласт угля, а лишь пригодная по
техническим причинам и экономическим условиям его часть, в этом случае часть
пласта, подлежащая выемке, называется рабочей.
На земном шаре развиты пласты разной рабочей толщины от 0,5 - 1 м до 300 450 м, преобладающая толщина – 1 - 1,5 м. Кроме немногих пластов толщиной 50 100 м, в последнее время обнаружено два пласта сверхгиганта: 300 метровый пласт
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
бурого угля Латроб-Велли в Австралии и 450 метровый пласт Хетт-Крик в Канаде.
В пласте Хетт-Крик прослеживается изменение от близкого к торфу в верхней части, до каменного угля в нижней. В бывшем Советском союзе наиболее крупные
пласты каменного угля толщиной 60 - 90 м известны в Кузнецком и Экибастузском
бассейнах, бурого угля толщиной 80 - 100 м – в Канско-Ачинском бассейне и на месторождениях Башкирии и Украины.
Важной характеристикой угольного пласта является его протяженность. Зависит она, в основном, от размеров водоема и геотектонических условий.
Наиболее благоприятны для образования прибрежно-морские условия, в которых угольные пласты образуются на протяжении нескольких десятков, а в некоторых бассейнах (как, например, Донецком) сотни и более километров. При этом сохраняется их строение и толщина.
Протяженность пластов углей внутриконтинентального происхождения обычно не превосходит десятка километров.
Изменение толщины и строения пласта может быть сингенетичным, то есть
происходящим в процессе его формирования до покрытия торфяника кровлей, и
эпигенетичным – возникающем после перехода пласта в ископаемое состояние.
Сингенетичное изменение пласта может быть связано с размывами торфа подводимыми течениями и неровностями дна водоема.
Эпигенетичные изменения могут быть связаны с размывами сформировавшегося пласта при выходе его на поверхность, а так же, вследствие тектонических воздействий, приводящих к разрыву пласта или его деформации.
По степени выдержанности основного параметра угольного пласта – его
толщины в практике разведочных работ выделяют пласты трех групп:
1. Выдержанные пласты, у которых отклонение от средней толщины не превышают 20 %, а участки с не рабочей толщиной отсутствуют.
2. Относительно выдержанные пласты с отклонением от средней толщины не
более чем на 35 %.
3. Невыдержанные пласты – когда пласт теряет рабочее значение на многих локальных участках.
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7.3 Сопутствующие полезные ископаемые угленосных формаций
Концентрация малых элементов в углях происходила, главным образом, на
стадиях торфообразования и раннего диагенеза.
Наибольшее практическое значение, кроме урана, имеют такие элементы как
германий и галлий.
Германий – единственный редкий элемент, основным источником которого
являются угли. Содержание его в углях колеблется от 1 г до 2 кг на 1 т сухого топлива, в большинстве случаев не превышает 3 г/т.
Галлий в углях содержится как в органической части, так и минеральной составляющей. Ценность галлия заключается в повышении положительных свойств
материалов и сплавов при незначительной добавке.
Повышенные концентрации этих элементов в углях переводят некоторые
угольные месторождения в разряд самостоятельных угольно-урановых или угольнокремниевых. Попутное извлечение германия ведется на многих месторождениях, на
некоторых извлекают ванадий, галлий. Перспективными для извлечения считаются
молибден, рений, серебро, золото и металлы платиновой группы.
Высокие содержания благородных металлов в углях, достигающие промышленных масштабов были обнаружены в США еще в конце XIX века (Jenney, 1903;
Stone, 1912). Повышенные содержания иридия в бельгийских углях является их
важной платинометальной особенностью. Угольные бассейны Сибири и Дальнего
Востока характеризуются платиновой или палладиевой специализацией, сходной со
специализацией платиноидов в черных сланцах (Лазаренков, Таловина, 2001). Ниже,
в разделе 8.4 приведены данные по содержанию некоторых элементов в углях и других твердых горючих полезных ископаемых месторождений Оренбургской области.
Интерес к этому вопросу обусловлен тем, что при сжигании ископаемых углей
все металлы, как правило, остаются в золе. При этом происходит их концентрирование. Таким образом, угольную золу можно рассматривать как дополнительный источник некоторых металлов.
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кроме того, в углях содержатся элементы, отрицательно влияющие на экологию: сера, мышьяк, ртуть, свинец, фтор, радиоактивные элементы и др.
8 Угленосные провинции, бассейны, месторождения
Наименьшая по величине угленосная площадь и отдельные разрозненные выходы пластов угля называются углепроявлением.
Под угольным месторождением понимается естественное скопление угленосных отложений с пластами угля, занимающее определенное стратиграфическое положение в осадочной толще земной коры. Площадь месторождений, как правило составляет десятки, редко сотни квадратных километров.
Месторождение является промышленным, если по совокупности геологогеографических и экономических признаков представляет интерес для разработки.
Угленосный бассейн – это крупная (от сотни до миллиона и более квадратных
километров) площадь непрерывного или прерывистого залегания угольных отложений со значительными запасами углей, связанная единством процессов образования
и последующих изменений. В пределах бассейна находится обычно несколько месторождений угля.
Угленосная провинция – это обширная площадь углеобразования, включающая
ряд угольных бассейнов, сходных по стратиграфическому положению, условиям образования.
Угленосной провинции обычно придается географическое название с указанием геологического возраста, например, карбоновая Московско-Уральская, юрская
Забайкальская и т.д.
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8.1 Классификация угольных бассейнов
Общепринятыми типизациями угольных бассейнов и месторождений, основанных на генетических признаках, являются общие палеогеографические и геотектонические признаки.
На основании общих палеогеографических признаков угольные месторождения делятся на:
1. Паралические (близкие к морю).
2. Лимнические (озерные).
Паралические угольные месторождения образуются на обширных приморских
заболоченных пространствах и характеризуются обширным площадным распространением. Устойчивый стратиграфический разрез пород угленосных толщ этих
месторождений включает морские отложения – известняки, присутствует морская
или лагунная фауна.
Лимнические угольные месторождения возникали в условиях сравнительно
ограниченных болотных участков вне влияния моря. Они характеризуются ограниченным площадным распространением. Угленосные отложения носят континентальный характер, а их разрез характеризуется значительной изменчивостью.
В основу геотектонической классификации угольных месторождений первоначально были положены 6 основных признаков:
1. Мощность угленосных отложений.
2. Фациальный состав угленосных отложений.
3. Характер угленосности.
4. Степень измененности (метаморфизм) пород и углей.
5. Характер складчатости и разрывов (тектоника).
6. Проявление вулканизма.
По характеру тектонических движений при образовании угольных бассейнов
выделяют бассейны трех типов: геосинклинальный, платформенный и переходный
(по А.Г. Иванову).
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для геосинклинальных бассейнов характерна очень большая толщина угленосных отложений (до 10 - 15 км), значительное число пластов каменных углей (до
нескольких сотен), отчетливо выраженная линейная складчатость, сочетающаяся с
разрывами большой амплитуды.
Платформенным бассейнам свойственны малая толщина угленосных отложений (сотни метров), наличие бурых углей в верхней части толщи, незначительное
количество угольных пластов (десятки). Залегание угольных пластов горизонтальное или слабонаклонное с нарушениями небольшой амплитуды.
Бассейны переходного типа обладают признаками первых двух типов по количеству пластов угля и величине угленосной толщи. Особенностью этого типа бассейнов является развитие в них складок брахиантиклинального вида.
Так как месторождения тектонических впадин располагаются в пределах
платформенных сооружений, но их характеристики существенно отличаются от характеристики платформенных месторождений, позже было предложено подразделить группу платформенных месторождений на собственно платформенные месторождения и месторождения тектонических впадин.
Иногда, в одном и том же бассейне могут быть развиты все три или два смежных типа. Такие бассейны называются политипными, например: Донецкий, Ленский
и др. бассейны.
Известные в настоящее время угольные бассейны и месторождения России по
времени торфонакопления распределяются следующим образом:
1. Бассейны и месторождения каменноугольного возраста – Львовский, Донецкий, Подмосковный, Кизеловский, ряд месторождений Северного Кавказа, восточного склона Уральских гор.
2. Бассейны и месторождения пермского возраста – Печерский, Кузнецкий, Горловский, Минусинский, Тунгусский и Таймырский бассейны.
3. Бассейны и месторождения мезозойского возраста – Челябинский, Тургайский, Камско-Ачинский, Иркутский, Ленский, а так же ряд месторождений
Северного Кавказа и Забайкалья.
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Бассейны и месторождения кайнозойского возраста – Днепровский, ЮжноУральский, месторождения Приморья, о. Сахалин и полуострова Камчатки.
8.2 Угольные бассейны
и
месторождения
палеозойского
возраста
(каменноугольной системы)
Палеозойские бассейны содержат основные запасы каменных углей (80 %) и
99 % антрацитов. Эти бассейны, как правило, имеют благоприятное географическое
положение и являются главными бассейнами России по добыче углей. Рассмотрим
краткую характеристику угольных бассейнов. Данные по разведанным запасам приведены по расчетам на 1975 г.
Подмосковный угольный бассейн
Подмосковный угольный бассейн является старейшим бассейном страны, добыча угля в котором начата более 100 лет назад, имеет важное хозяйственное значение. Разработка ведется шахтным способом. Основными потребителями являются
теплоэлектростанции центральных районов России.
Промышленно-угленосными являются отложения нижнего карбона, сложенные карбонатной и терригенной толщами общей толщиной до 345 м. Наиболее угленосными являются отложения бобриковского горизонта, в которых выделяется от
3 - 4 до 11 - 14 угольных пластов. Рабочей толщины достигают на отдельных площадях только 4 пласта. В отложениях тульского горизонта установлено 2 - 4 пласта
угля, из которых только один имеет промышленное значение. Залегание угольных
пластов спокойное, под углами не более 3º.
Глубина залегания угольных пластов около 350 м. Подмосковный бассейн является типичным бассейном платформенного типа.
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Угли бассейна относятся к бурым марки Б2 (матовые), гумолитам, реже встречаются сапропелиты. Показатели влажности 32 %, зольность на сухое топливо – до
30 %, сера общая – 5 %, теплота сгорания – 28 МДж/кг. На больших глубинах (1,5
км) выявлены каменные угли.
Горнотехнические условия эксплуатации усложняются гидрогеологической
обстановкой. Насчитывается до 10 водоносных горизонтов с водопритоками от 100
до 1000 м3/ч. Необходимо предварительное осушение, отвод откаченной воды. Добыча угля ведется, в основном шахматным способом, разведанные запасы (на
1975 г) 5,3 млрд.т.
Донецкий угольный бассейн
Донбасс служит основным поставщиком угля для южных районов Европейской части страны. По качествам и свойствам угли разнообразны и занимают весь
метаморфический ряд от бурых углей до антрацитов.
Угленосность бассейна связана с отложениями каменноугольной системы,
особенно со средним и верхними отделами.
В разрезе морских, прибрежно-морских, озерных и болотных образований
карбона преобладают терригенные разности пород, среди которых прослеживается
более 300 пластов и прослоев угля толщиной от 0,3 до 2,5 м, около 50 пластов являются объектами эксплуатации.
Донецкий бассейн имеет сложное геологическое строение, отмечается большое количество дизъюнктивных нарушений (взбросов, надвигов), что осложняет отработку угольных пластов. Неблагоприятным фактором также является газоносность пластов, при разработке глубоко залегающих пластов (глубина 500 - 700 м)
начинают проявляться внезапные выбросы угля, газа и пород. Средний коэффициент рабочей угленосности высок – 0,77, средняя углеплотность до глубины 1800 м –
до 20 млн.т/км2.
Угли относятся, в основном, к гумолитам. Физические и химические свойства
углей изменяются в широких пределах и охватывают весь спектр их изменения.
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Значительное количество углей (марки Ж, К, ОС) являются коксующимися и дают
качественный металлургический кокс.
В угольной формации бассейна имеются многочисленные водоносные горизонты с притоком в шахты до 100 м3/ч. Разведанные запасы – 71,2 млрд.т.
Кузнецкий угольный бассейн
Характерной особенностью бассейна является его переходный тип от бассейнов палеозойского возраста к мезозойскому, так как в его разрезе выделяются
угольные пласты девонского, каменноугольного, пермского и юрского возраста. В
связи с этим, одни авторы относят Кузбасс к бассейнам палеозоя, другие – мезозоя.
Бассейн расположен в южной части Западной Сибири, площадь его равна
27 тыс. км2. Бассейн характеризуется сложным тектоническим строением, обусловленным близостью горных образований. Отличаются высокоамплитудные разломы
угленосной толщи (до 1500 м) и надвиги. В центральной части бассейна степень
дизъюнктивных разрывов уменьшается.
Основная угленосность приурочена к так называемой балахонской серии,
охватывающей верхнюю часть карбона и нижнюю перми, и кольчугинской серии
перми. Кроме того угленосны отложения юрской системы.
Балахонская серия толщиной до 1600 м содержит от 22 до 60 пластов угля.
Толщина пластов 2 - 5 м, в отдельных пластах до 10 м.
В выше залегающих пермских и юрских отложениях выделяется от 13 до 56
пластов и пропластков угля, из них рабочей толщины (более 0,8 м) от 3 до 14 пластов.
В связи с длительными и часто менявшимися условиями угленосных отложений качество углей отличается большим разнообразием: от сапропелитов до антрацитов, но, в основном, они представлены гумусовыми углями.
Теплота сгорания каменных углей балахонской серии изменяется от 32 до
36 МДж/кг, юрских углей – от 20 до 25 МДж/кг. Содержание серы в углях не превышает 1 %, по зольности угли относятся к мало- и среднезольным.
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Добыча угля ведется преимущественно на глубине 200 - 300 м в шахтах, а
также карьерным способом.
Угли бассейна самовозгорающиеся, особенно пласты большой толщины, многие шахты опасны по газу и пыли. Гидрогеологические условия зависят от тектоники, в зонах тектонических нарушений приток воды в шахтах достигает 250 м3/ч. Разведанные запасы составляют 108 млрд.т.
8.3 Угольные бассейны месторождения мезозойского возраста
Основные бассейны мезозойского возраста располагаются восточнее Урала,
но, в основном, в Восточной Сибири.
Иркутский бассейн
Бассейн расположен в юго-западной части Иркутской области вблизи отрогов
Восточных Саян. Крупных дизъюнктивных нарушений не выявлено, в центральной
части бассейна отложения залегают почти горизонтально.
Угленосность приурочена к отложениям юрского возраста, количество пластов угля и их качество резко меняется по разрезу и площади.
В отдельных разрезах установлено до 11 рабочих пластов, которые иногда
сливаются, образуя мощный пласт. Толщина рабочих пластов изменяется от 0,7 до
30 м.
Угли в большинстве гумусовые, каменные, встре6чаются сапропелевые. Содержание серы изменяется от 0,5 % до 8 %, теплота сгорания составляет 30 –
34 МДж/кг. Малосернистые спекающиеся угли могут использоваться для получения
металлургического кокса.
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Добыча угля ведется, в основном, открытым способом, что объясняется наличием мощных пластов угля и простыми инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями. Основная добыча угля ведется на Черемховском месторождении. Запасы месторождения – 20,3 млрд.т.
Канско-Ачинский бассейн
Бассейн расположен в районе г. Красноярска, в его состав входят до 30 месторождений, угленосная толщина которых приурочена к юрской системе. Юрские отложения сохранились в виде отдельных разрозненных неглубоких мульд, пласты
угля в которых залегают почти горизонтально. Углы наклона на большей части бассейна составляют 2 - 5º, вблизи горных хребтов иногда достигают 50º, дизъюнктивные дислокации выражены незначительным смещением пластов.
В угленосной толще содержится до 35 угольных пластов, а суммарная толщина пластов – до 97 м, средняя по бассейну – 21 м.
Угли гумусового типа, иногда встречаются сапропелиты и горючие сланцы.
По степени метаморфизма угли относятся к бурым марок Б1, Б2 и Б3.
Влажность углей – до 40 %, золы – до 12 %, содержание серы – до 1 %, теплота сгорания низкая – 12 - 20 МДж/кг, угли склонны к самовозгоранию.
Все запасы угля пригодны для разработки открытым способом, но до сих пор
слабо освоены промышленностью. Запасы разведанного угля составляют 115млрд.т.
8.4 Бассейны и месторождения кайнозойского возраста
Палеогеновые и неогеновые угленакопления в европейской и азиатской частях
России представлено, в основном, платформенным типом, лишь на крайнем востоке,
в пределах Тихоокеанской геосинклинальной системы, угленакопление относится к
геосинклинальному типу.
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В качестве примера геосинклинального типа приведем описание Сахалинского
бассейна.
Сахалинский бассейн
Угленосные отложения на о. Сахалин связаны с породами палеогенового и
неогенового возраста, частично с верхним мелом.
Месторождения содержат до 30 пластов рабочей толщины (в среднем 4 м).
Для угольных пластов характерно сложное строение, засоренность минеральными примесями, невыдержанность толщины пластов по площади.
Угли Сахалина преимущественно бурые, гумусовые с прослоями и линзами
сапропелевых. Качество бурых углей: влажность – до 10 %, золы – до 36 %, серы –
0,2 - 1 %, теплота сгорания – 28 МДж/кг.
В каменных углях содержание влаги уменьшается до 4 %, золы до 15 %, теплота сгорания составляет 35 МДж/кг, количество углерода увеличивается с 70 % до
81 %.
Разработка угля ведется в южной части острова небольшими шахтами глубиной до 200 м и открытым способом. Все действующие шахты опасны по содержанию газов и пыли, гидрогеологические условия благоприятны. Запасы угля оцениваются в 10,4 млрд.т.
Южно-Уральский буроугольный бассейн
Сюда входят многочисленные месторождения бурого угля, расположенные в
южной части краевого Уральского прогиба, в пределах северной части Оренбургской области и юго-западной части Башкирии.
Основная угленосность связана с палеоген-неогеновыми отложениями, углеотложения отмечены также в верхнем триасе, нижней и средней юре.
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для бассейна характерна высокая степень угленосности, толщина угольных
залежей достигает 100 и более метров. В пределах бассейна выявлено несколько десятков буроугольных месторождений.
В Оренбургской области на территории Южно-Уральского бассейна выявлено
15 месторождений, из них запасы 8 поставлены на учет, 7- сняты с учета из-за промышленной непригодности. В эксплуатации находится только Тюльганское буроугольное месторождение. Проявление каменного угля отмечено на Домбаровском
месторождении в турнейском ярусе, но по технико-экономическим показателям разработка признана нереспектабельной.
На балансе числятся запасы угля следующих буроугольных месторождений
(кроме Тюльганского):
1) Тугустимирское;
2) Яман-Юшатырское;
3) Масловское;
4) Матвеевское;
5) Быковское;
6) Хабаровское;
7) Репьевское.
Суммарные запасы месторождений Оренбургской области составляют
830 млн.т, запасы Южно-Уральского бассейна – 130 млн.т, запасы Тюльганского
месторождения оцениваются в 261 млн.т, Хабаровского – 330 млн.т, остальных месторождений – 20 - 75 млн.т.
Тюльганское месторождение расположено в 1 км от поселка Тюльган. Средняя глубина залегания угольных пластов 62 - 138 м. Приурочено месторождение к
Предуральскому прогибу, Тюльганскому грабену меридионального простирания,
ширина которого составляет 2,5 км, а длина – 12 км. Строение пласта сложное, количество прослоев 1 - 17, общая толщина прослоев 3,1 - 12,2 м. Глубина залегания в
центральной части месторождения от 3 до 30м, на севере и юге залежь погружается
до 150 и более метров.
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Угли Тюльганского месторождения по сравнению с другими менее углефицированы и содержат меньше битумов. Влажность углей рабочая составляет 55 %,
зольность – 26 %, содержание серы – 0,52 %, выход летучих веществ – 64 %, битума
– 6,5 %, удельная теплота сгорания – 8,3 МДж/кг.
Месторождение разрабатывается открытым способом с 1983 года. Проектная
мощность разреза 3,5 млн. т /год, в 1992 году добыча достигла 3,4 млн. т, в 1998 году – упала до 0,33 млн. т, то есть в 10 раз. В настоящее время принимаются меры по
увеличению добычи.
В последнее время в литературе появились публикации, посвященные «нетипичной» геохимической специализации углей различных бассейнов и месторождений. Это связано с обнаружением в углях различных металлов, в том числе и благородных (Лазаренков, Таловина, 2001; Середин, 2004, 2010 и др.). В связи с этим автором было проведено изучение геохимии твердых горючих полезных ископаемых
Оренбургской области, результаты которого приводятся ниже.
Для изучения были отобраны геохимические образцы бурого угля, антрацита,
асфальтита, горючего сланца, которые анализировали на содержание благородных
металлов.
Анализы были выполнены в лаборатории физических методов исследования
кафедры геологии Оренбургского государственного университета методом атомноабсорбционной спектрометрии. При подготовке образцов к анализу применялся
способ дополнительного разложения углеродистого вещества углей, разработанный
на кафедре геологии ОГУ (Пономарева, Панкратьев Патент РФ № 2409810 Способ
разложения проб при определении благородных металлов в углеродистых породах).
Полученные результаты представлены в таблице 12.
Данный способ прошел достаточную апробацию при определении благородных металлов на многих объектах платформенного и складчатого Оренбуржья и
может быть рекомендован для определения золота, палладия, платины и серебра в
углеродистых породах.
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 12 – Содержание благородных металлов, кобальта и никеля в горючих полезных ископаемых Оренбургской области, мг/т
Месторождение
Au
Ag
Pd
Pt
Co
Ni, г/т
Тюльганское
2-4
189-462
0,19
2-6
170-470
33,00буроугольное
26,05
(4)*
Домбаровское,
30-66
44-448
5-54
6-13
30-44
37,27выветрелый ан2568
трацит (5)
Чаганское, го3-9
65-220
0,5-1
1-4
270-530
9,54рючий сланец
16,06
(2)
Садкинские ас2-8
46760,19-5
<0,19
810
15,39
фальтиты (2)
6000
П р и м е ч а н и е - Приведены минимальные и максимальные содержания, в скобках указано число проанализированных образцов
Горючие сланцы
Горючие сланцы известны на значительной части территории России и ближнего зарубежья: в Прибалтике, в пределах русской платформы, в Сибири и Казахстане. Наиболее изученными являются Прибалтийский и Приволжский бассейны.
Всего запасы горючих сланцев составляют на территории бывшего Советского
Союза 156 млрд.т, в том числе залегающих на глубине до 300 м – 71 млрд.т.
Наибольшее количество запасов – 112 млрд.т – приурочено к Северо-Восточной части Сибирской платформы, с Прибалтийским бассейном связано 20; с Востоком
Русской платформы (Приволжский бассейн) 18 млрд.т (в РФ – 130 млрд.т).
Горючие сланцы могут быть в виде самостоятельных месторождений или в
комплексе с угольными месторождениями.
В таблице 12 приведены данные о содержании благородных металлов, кобальта и никеля в образцах горючих сланцев Чаганского месторождения Оренбургской
области, полученные автором с применением указанного выше патентованного способа.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Геологические запасы углей
Общие геологические запасы углей (ресурсы) мира оцениваются в 14,8 трлн.т
из них 9,4 трлн.т каменных, 5,4 трлн.т – бурых. 58 % запасов сосредоточены в Азии,
около 30 % - в Северной Америке, 12 % - на остальных континентах. Наиболее
крупными ресурсами обладают (трлн.т): бывший СССР – 6,8, США – 3,6, КНР – 1,5,
Канада – 0,55, Австралия – 0,35, ФРГ – 0,29, Англия – 0,19, Польша – 0,17, Индия –
0,12.
Из общего количества ресурсов разведанные запасы составляют – 4 трлн.т или
26 %.
Угленосные отложения занимают 15 % территории континентов, при этом
90 % площади приходится на бассейны платформенного типа.
Распределение угля в России неравномерно: в Европейской части, где живет
три четверти населения, промышленные запасы угля составляют около 7 %, в то
время как в Западной Сибири – 13 %, в Восточной Сибири – 47 %, на Дальнем Востоке – 33 %.
9 Изучение геологического строения угольных месторождений
9.1 Общие задачи и принципы геологического изучения месторождений
Промышленная значимость месторождения определяется тремя критериями:
1. Количеством полезного ископаемого.
2. Его качеством.
3. Условиями залегания.
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Первой задачей разведки является изучение форм и размеров полезного ископаемого, оконтуривание участков их промышленного распространения, установление количественных параметров для подсчета запасов.
Второй задачей является полное изучение физико-химических свойств угля,
определение промышленных сортов, изучение изменения основных качеств сырья
по площади, т.к. требования к качеству угля определяют контуры промышленных
участков отдельных пластов и месторождения в целом.
Третья задача разведки – изучение горно-геологических особенностей месторождения: глубины залегания и морфологии угольных пластов, определение свойств
перекрывающих и вмещающих пластов угля горных пород, изучение тектоники месторождения, гидрогеологических и горно-технических особенностей.
Процесс изучения месторождения делится на три стадии: поисковая, предварительная и детальная.
Перед поисковой стадией делается геологический прогноз, основанный на
общих представлениях об истории формирования изучаемой территории, обосновывается аналогия образования предполагаемых месторождений с известными. При
этом изучаются естественные и искусственные обнажения.
В процессе поисковой стадии работ изучением охватываются значительные
площади, границы которых определяются стратиграфическими, литологическими и
тектоническими предпосылками возможного наличия промышленной угленосности.
При изучении используются результаты геологической съемки и расположенные по
редкой сети, в случае необходимости, горные выработки (шурфы, колонковые скважины и т.д.).
В результате поисковых работ, с определенной долей условности, определяются контуры месторождения. Объем и характер поисковых работ должен быть достаточным для обоснованного заключения о наличии или отсутствии в районе работ
промышленной угленосности. Необходимо хотя бы в единичных вскрытиях угольных пластов с рабочей толщиной, получение приближенных данных о степени угленасыщенности разреза, качестве углей, возможных размерах распространения промышленной угленосности по площади и на глубину.
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для этой цели на поисковой стадии выполняется минимально необходимый
объем горно-разведочных и буровых выработок, располагаемых на линиях вкрест
установленному по обнажениям или единичным выработкам простирания пород при
крутом их залегании, или по квадратной сети при залегании горизонтальном.
Из опыта производства поисковых работ расстояние между профилями и
скважинами на месторождениях платформенного и переходного типов принимается
обычно от 1 до 3-4 км, на месторождениях геосинклинального типа – 0,5 км.
По результатам поисковых работ составляется геологическая карта месторождения или поисковой площади в масштабах 1:10000 или 1:25000.
На карту наносится положение выходов под покровные отложения угленосных свит, выявленные разрывные нарушения и элементы пликативных структур.
Карта сопровождается геологическими разрезами и литолого-стратиграфическим
профилем.
Обработанные материалы служат основой выводов о перспективах выявленного месторождения и характеристики наиболее благоприятных участков, на которых следует в первую очередь проводить разведочных работ. Устанавливается общая и рабочая угленасыщенность наиболее перспективной части разреза, производится подсчет запасов угля, обычно по категории С2, реже С1.
Непременным условием проведения поисковых работ является комплексность
– т.е. оценка данных о наличии в районе работ других полезных ископаемых, таких
как бокситы, каолины, огнеупорные глины, стекольные пески и др.
Предварительная разведка
В результате предварительной разведки должны быть установлены:
1. Промышленная значимость месторождения.
2. Общие закономерности в изменении морфологии угольных пластов и качества
углей, а так же сложности тектоники месторождения.
3. Относительная ценность для промышленного освоения отдельных частей месторождения, наиболее благоприятные для разработки участки.
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для решения этих задач разведочные выработки закладываются на оцениваемой площади равномерно при горизонтальном или пологом залегании продуктивных пластов. При этом применяется квадратная, прямоугольная или ромбическая
сетка с расстояниями между выработками 1000 – 1200 м. Для месторождений более
сложного строения плотность сети скважин или профилей составляет 500 – 800 м.
Для месторождений геосинклинальных областей плотность и система заложения горных выработок определяется исходя из конкретных условий залегания толщи, но, как правило, не более 500 м.
Результаты предварительной разведки должны создать достаточно определенные представления о степени выдержанности угольных пластов, их тектонической
сложности, промышленной ценности углей.
Эти представления необходимы для решения вопроса о целесообразности
производства дальнейших разведочных работ и для проектирования детальной разведки.
Предварительная разведка должна обеспечить принципы способа разработки
месторождения, определение масштабов возможной угледобычи, и сложностей горно-геологических условий эксплуатации. Оценка запасов угля производится, в основном по категории С, реже – категории – В.
Детальная разведка
Планирование и производство детальной разведки осуществляется в тесной
увязке с результатами предварительных работ.
Основной целью детальной разведки является создание геологической основы
для проектирования строительства горнодобывающих предприятий.
Проводимые на стадии детальной разведки работы уточняют данные, полученные в результате предварительного изучения. Необходимая плотность разведочной сети определяется тектоническими особенностями и характером угленосности,
то есть количеством пластов и степенью выдержанности.
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Расстояние между разведочными выработками сокращается, по сравнению с
предварительной стадией, в 2 раза, то есть до 500 – 600 м для месторождений простого строения и до 250 и менее метров на месторождениях геосинклинального типа.
При разведке многопластовых месторождений выбор расстояния между выработками при детальной разведке обосновывается на той группе пластов, которая заключает основные запасы углей.
Запасы угля при детальной разведке оцениваются чаще всего по категории
В+С, при простом строении месторождения выделяются участки с запасами категории А.
При наличии сопутствующих полезных ископаемых должна быть установлена
их промышленная значимость. К ним относятся: бокситы, фосфориты, железные руды, апатиты, а также редкие элементы, такие как уран, германий, галлий.
Угольные месторождения разрабатываются шахтным или открытым способами. Глубина шахт в Донбассе – фактическая 600 – 800 м, проектируется разработка
пластов на глубине 1200 – 1400 м, в Кузбассе и других бассейнах 300 – 600 м.
Открытым способом разрабатываются месторождения с горизонтальным и
пологим залеганием пластов. Предельная глубина выработок колеблется от десятков
метров до нескольких сотен: Кузбасс – была 100 м, затем 250 – 300 м, проектируется
до 600 м, на других бассейнах 150 – 300 м.
Определяющим показателем является коэффициент вскрыши, то есть количество пустой породы, приходящиеся на 1 т угля. Он колеблется от 10 до 30 м3/т.
9.2 Вопросы и упражнения
1.
Укажите критерии, определяющие промышленную значимость месторождения.
2.
В чем заключаются первая и вторая задачи разведки?
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.
Сформулируйте третью задачу разведки.
4.
Перечислите стадии изучения месторождения. Какие необходимые виды
работ предусматривает каждая стадия?
5.
Что такое геологический прогноз?
6.
Перечислите виды работ, предусмотренные поисковой стадией (различие между профилями и скважинами, масштаб карт, что наносят на них,
подсчет запасов по категориям).
7.
Что является непременным условием проведения геологических работ?
8.
Перечислите виды работ, предусмотренные предварительной разведкой.
Что должно быть установлено в ходе проведения предварительной разведки?
10 Технические средства разведки месторождений
При поиске и разведке угольных месторождений применяются: геологическое
картирование, комплекс наземных геофизических исследований, горно-разведочные
выработки и колонковое бурение скважин, сопровождаемое каротажными исследованиями.
10.1 Детальное геологическое картирование
Производится в масштабе 1:110000 или 1:25000 на базе геологических карт
мелких масштабов 1:500000 или средних масштабов 1:100000, 1:200000.
В полевых условиях изучаются выходы коренных работ в угольных пластах на
поверхность, в случае необходимости осуществляется проходка мелких горных выработок и скважин. Полученные данные дают ценный материал для изучения при77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
поверхностных частей месторождений и прогноза распространения угленосных отложений по площади и на глубину. При значительной мощности покровных отложений для получения необходимого количества точек наблюдения бурятся структурные скважины.
Составляемые геологические карты сопровождаются комплексом специализированных карт: геоморфологических, гидрогеологических, рельефа поверхности угленосных образований. Методика проведения картирования регламентируется специальными инструкциями.
10.2 Геофизические исследования
Большую ценность имеют наземные геофизические исследования, основанные
на изучении физических характеристик горных пород, слагающий угленосный комплекс.
При поиске и разведке на уголь используются электро-, грави-, сейсмо-, магниторазведочные методы, а также эманационная съемка.
Основой электроразведки является дифференциация горных пород по электрическому сопротивлению и диэлектрической проницаемости. Вертикальное электрозондирование (ВЭЗ) позволяет установить мощность покровных отложений,
провести картирование рельефа подстилающих угленосную толщу пород при пологом, до 15° залегании. При более крутом залегании пород приводится так называемый метод электропрофилирования, он может быть использован при мощности покровных отложений не более 20 м.
Электромагнитное профилирование основано на различии электромагнитных
свойств геологических объектов и используемых полей. При поисках и разведке месторождений антрацита и графита на глубинах до 300 – 500 м применяют метод
естественного электрического поля.
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гравиразведка эффективна при наличии существенного и достаточно постоянного в пределах изучаемой площади различия в плотности пород, которая служит
единственным физическим параметром пород и руд, участвующим в создании аномалий силы тяжести.
Для разведки угольных месторождений метод применяется для определения
границ бассейна, для поисков отдельных месторождений и пластов угля.
Гравиметрическими методами прослеживаются выходы только мощных
угольных пластов при небольшой толщине покровных отложений (до 35 м).
Магниторазведка используется при наличии пород, обладающих магнитными
свойствами, в частности для выявления и оконтуривания тел изверженных пород и
«горельников».
Эманационная съемка используется для выявления и прослеживания в плане
разрывных нарушений, по которым может происходить выделений эманаций радона, актинона и др. Измерение концентрации эманаций производится в подпочвенном и почвенном воздухе.
Сейсмические методы основаны на регистрации скорости упругих колебаний,
вызванных искусственным способом.
Наличие в разрезе отражающих сейсмических границ позволяет расчленить
толщу пород, выявить и проследить структурные формы и разрывные нарушения.
Ограничением для проведения сейсморазведки могут служить сейсмические помехи
в виде землетрясения или толчки.
При всех видах наземных геофизических исследований, данные должны быть
получены при помощи соответствующей аппаратуры аномалии перечисленных выше свойств пород.
В результате формируется представление о геологическом строении района
исследований и перспективах угленосности.
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10.3 Горно-разведочные выработки
При разведке угольных месторождений используются горно-разведочные выработки. Их проходка связана с большими затратами средств и времени. Гидрогеологические условия часто создают непреодолимые условия для их применения. Выработки используются также для прослеживания угольных пластов на выходах под
покровные отложения, для определения границ зон выветривания и окисления угля
и для отбора крупных технологических проб и др.
Опробование углей проводится с целью определения их марки и технологической группы, получения характеристик качества угля и геохимических исследований. Отбор проб в горных выработках производится бороздовым, валовым, штуфным и точечным способами. Опробование завершается подготовкой проб для технического анализа и геохимических испытаний. Последние проводятся специально регламентированными методами. Особое внимание уделяется пробоподготовке при
определении микрокомпонентов благородных металлов, присутствующих в углях и
других твердых горючих полезных ископаемых. В этом случае можно рекомендовать способ разложения проб при определении благородных металлов в углеродистых породах (Панкратьев, Пономарева, патент РФ № 2409810).
Горные выработки делятся на поисковые и разведочные (рисунок 3). Поисковые выработки не глубокие, это расчистки, закопушки, шурфы, канавы, дудки.
Разведочные выработки, кроме перечисленных выше, могут включать разведочные шахты, штольни (горизонтальная с выходом на дневную поверхность).
Горно-разведочные выработки дают представительный материал о морфологии угольных пластов, физических свойствах углей и вмещающих пород, условиях
их залегания, поэтому должна быть обеспечена полная и объективная их геологическая документация.
В документах отражается мощность и расчлененность угольного пласта, особенности тектоники и горно-геологических условий угленосной толщи, характеристика углей, степень их выветрелости и другие показатели. Производится отбор
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
проб для петрографических, палеонтологических, химических и технологических
исследований.
Основным техническим приемом разведки угольных месторождений является
колонковое бурение. Высокая маневренность и возможность создания необходимой
сети искусственных обнажений на больших площадях и на любых необходимых
глубинах обусловили широкое применение этого метода.
Основным источником информации о мощности и строении угольных пластов, качестве углей служит керновый материал. Главным критерием качества бурения в интервале залегания угольных пластов является величина выноса керна и его
сохранность.
1 – скважины, 2 – шурф, 3 – канава, 4 – рассечка, 5 – штрек, 6 – шахтный ствол, 7 –
квершлаг, 8 – рудный штрек, 9 – камера, 10 - зумпф, 11- орт, 12 – восстающий, 13 –
ствол слепой шахты, 14 – подземная скважина, 15 – штольня, 16 – гезенк, 17 – рудное тело.
Рисунок 3 – Основные типы горных выработок (Баранников А.Г., 1999)
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Эти показатели зависят от геологических особенностей месторождения, технических условий бурения и других факторов. Выбор рационального диаметра
скважины, буровых наконечников, применение двойных колонковых труб, укороченных рейсов проходки способствует улучшению качества буровых работ и документации скважин. При недостаточном выносе керна возникают затруднения в
определение истинных значений толщины и структуры угольного пласта и качества
угля. В отдельных случаях при низком выносе керна возникает необходимость забуривания второго ствола в дефектных скважинах или бурение дополнительных контрольных скважин.
В первичной геологической документации керна должны отражаться длина и
технология проходки каждого рейса в пределах угольных пластов, линейный или
весовой, объемный выход керна, степень его сохранности, детальное описание пород по каждому рейсу. При описании керна особое внимание уделяется подробной
характеристике строения угольного пласта, литологическому составу вмещающих
пород и внутрипластовым породным прослоям определяются углы падения пород,
отбираются образцы для изучения угля и вмещающих пород.
Все скважины и горные выработки должны быть инструментально привязаны
к опорной геодезической сети. Для вертикальных скважин глубиной более 300 м и
для наклонных скважин более 100 м должны проводиться замеры азимутального и
зенитного искривления ствола не реже чем через 50 м.
Методом, существенно повышающим качество буровых работ, является каротаж.
10.4 Промыслово-геофизические методы исследования скважин
В состав каротажных работ входят геофизические исследования с целью изучения разреза вскрытых отложений. Каротаж включает также кавернометрию, инклинометрию (определение азимутальных и зенитных искривлений скважины) и
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
геотермические исследования. Наиболее используемые масштабы работ на угольных месторождениях 1:200 до 1:20.
Геофизические исследования осуществляются в основном двумя методами:
электрическими и радиоактивными, в последнее время применяется также акустические методы.
Из электрических методов наиболее широко применяются методы кажущихся
сопротивлений (КС), собственных или естественных потенциалов (ПС), токовый каротаж (ТК) и другие разновидности. При гидрогеологических исследованиях проводится резистивиметрические работы, то есть определение удельного электросопротивления бурового раствора, это позволяет установить место притока в скважину
пластовых вод. Применение метода расходометрии позволяет оценить фильтрационные свойства отдельных интервалов разреза пород.
К радиоактивным методам относятся гамма-каротаж (ГК) и ГГК – плотностной гамма-гамма-каротаж. Эти методы наиболее широко используются на угольных
месторождениях.
Рационально подобранный комплекс геофизических исследований позволяет
решать следующие основные задачи:
1. Производить расчленение разреза по основным разностям пород.
2. Определять глубины залегания, толщину и строение угольных пластов и вмещающих пород.
3. Устанавливать наличие и амплитуду тектонических нарушений.
4. Определять искривление и кавернозность стволов скважин.
5. Устанавливать температурный режим вскрытого разреза пород.
Каротажные диаграммы, полученные по отдельным скважинам, используются
для корреляции геологических разрезов, которая позволяет получить достоверную
информацию об особенностях строения месторождения.
Сопоставление замеров толщин угольного пласта в горных выработках, то
есть визуальных и по керну с данными геофизических исследований показывает, что
средняя погрешность составляет при масштабе 1:200 ± 20 см, 1:50 ± 10 см, 1:20 ±
3 см.
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При низком выносе кернового материала практикуется отбор образцов угля
или породы боковым грунтоносом (ГБС – грунтонос боковой сверлящий). Точность
определения контактов угля с породой зависит от расстояния между соседними точками отбора грунтов. Обычно расстояние составляет 10 см, что соответствует точности ГИС при масштабе исследования 1:50.
В последнее время разброс при отборе грунтов сокращается до 2 - 5 см.
Отобранные образцы грунтов используются также для физико-химических
анализов угля, определения зольности, содержания серы и т.д.
Полнота и достоверность получаемой по каротажу информации определяется
рациональным
подбором
комплекса
ГИС,
который
зависит
от
геолого-
геофизических условий изучаемого месторождения. Особое влияние оказывает степень метаморфизма углей, состав пород, техническое состояние скважин.
На месторождениях с углями обладающими высоким электросопротивлением
(например, марки Г - газовые, Ж - жирные, Д - длиннопламенные и Т - тощие) или
наоборот, очень низкими электросопротивлениями, которые характерны для антрацитов, методы ГИС обеспечивают уверенное выделение угольных пластов. Но по
большей группе месторождений, содержащих бурые или высокозольные каменные
угли, надежное выделение угольных пластов методами электрокаротажа затруднительно из-за сходной с вмещающими породами геоэлектрической характеристикой.
Радиоактивные методы обеспечивают надежное расчленение разреза и выделение пластов углей любого типа – от бурых углей до антрацитов.
В процессе углубления скважины происходит увеличение каверн в угольных
пластах и слабых по прочности породах пройденных ранее, поэтому большое значение имеет своевременное проведение ГИС.
К методическим и техническим недостаткам отрицательно сказывающимися
на качестве ГИС относится повышенная скорость подъема приборов, неправильный
выбор размера зондов и масштаба регистрации, а также методика интерпретации
кривых ГИС.
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10.5 Вопросы и упражнения
1. Укажите основную цель детальной разведки.
2. Каково должно быть расстояние между разведочными выработками при детальной разведке?
3. По каким категориям производится оценка запасов на различным стадиях поисково-разведочного процесса?
4. Укажите сопутствующие полезные ископаемые угольных месторождений.
5. В каком случае месторождение разрабатывается открытым способом?
6. Перечислить технические средства разведки.
7. Как проводится детальное геологическое картирование?
8. Перечислите комплекс специализированных карт.
9. Что такое геофизические исследования?
10.Какие виды исследований применяются при разведке угольных месторождений?
11.Укажите, в каких случаях при поисках и разведке месторождений угля применяют гравиразведку, электро- и магниторазведку?
11 Запасы угольных месторождений. Классификация запасов
Классификация угля и других твердых ископаемых утверждена ГКЗ РФ в 1997
году. Она определяет единые принципы подсчета и Госучета запасов и прогнозных
ресурсов твердых полезных ископаемых по степени их изученности и экономическому значению.
Необходимая степень разведанности определяется степенью сложности строения месторождений. Выделяется 4 группы сложности.
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 группа – это месторождения простого геологического строения с крупными
по размерам угольными пластами, устойчивой толщиной и выдержанным качеством. Все это определяет возможность в процессе разведки оценить запасы по категориям А, В, С1 и С2.
2 группа – это месторождения сложного строения со средними размерами по
площади, с нарушенным залеганием пластов, неустойчивой толщиной и качеством
ископаемого. Запасы таких месторождений оцениваются по категориям В, С1 и С2.
3 группа – это месторождения очень сложного строения со средними и мелкими по размерам телами полезных ископаемых, нарушенным залеганием, изменчивой
толщиной пластов, невыдержанным качеством углей. Запасы оцениваются по категориям С1 и С2.
4 – группа – это мелкие месторождения, с чрезвычайно нарушенным залеганием пластов, резкой изменчивостью толщины и прерывистости пластов, крайне резкой изменчивостью качества углей. Запасы подсчитываются по категории С2.
Следует иметь в виду, что в пределах месторождения могут быть выделены
участки, отнесенные к разным группам.
По степени изученности месторождения подразделяются на разведанные и
оцененные.
К разведанным относятся месторождения, запасы которых, их качество, технологические свойства и горно-технические условия разработки изучены по скважинам и горным выработкам с полнотой достаточной для технико-экономического
обоснования целесообразности ввода месторождения в разработку и составления
проекта разработки.
Степень изученности месторождения должна удовлетворять следующие требования:
1. Обоснование категории запасов в соответствии с группой сложности.
2. Изучение качества углей для определения технологии их использования.
3. Гидрогеологические, горно-геологические и другие природные условия изучены с детальностью, необходимой для составления проекта разработки.
4. Изучено влияние разработки на окружающую среду.
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К оцененным относятся месторождения, запасы которых, их качество, технологические свойства, условия разработки изучены в степени позволяющей обосновать целесообразность дальнейшей разведки и разработки.
Оцененные месторождения по степени изученности должны удовлетворять
следующим требованиям:
1. Возможность квалифицировать запасы по категории С2.
2. Вещественный состав и технологические свойства углей изучены с полнотой,
необходимой для выбора технологической схемы переработки и использования полезного ископаемого.
3. Получено представление о горно-геологических условиях и возможном влиянии отработки месторождения на окружающую среду.
Классификация запасов
Запасы углей по степени разведанности подразделяются на категории А, В, С1
и С2.
Запасы категории А выделяются на детально изученных участках месторождений 1 группы и должны удовлетворять следующим требованиям:
 установлены размеры, форма и условия залегания пластов угля, изучены закономерности и их изменчивости, установлено наличие разрывных нарушений и
амплитуда смещений;
 установлен состав и технологические свойства углей;
 контур запасов категории А определен в соответствии с требованиями по качеству скважин и горных выработок и качеству их опробования.
Запасы категории В выделяются на участках детализации разведываемых месторождений 1 и 2 групп сложности и должны удовлетворять тем же требованиям,
что к категории А, но при меньшей степени изученности участков за счет более редкого размещения скважин и горных выработок и повышенной сложности строения
угленосной толщи.
Запасы С1 составляют основную часть запасов месторождений 1, 2 и групп, а
также выделяются на участках детализации месторождений 4 группы сложности.
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При этом должны быть выяснены размеры и характерные особенности пластов,
определены типы углей и их технологические свойства. Контур запасов С1 определяется по результатам опробования в скважинах и горных выработках с учетом геофизических исследований.
Запасы категории С2 выделяются при разведке месторождений всех групп
сложности, а на месторождениях 4 группы составляют основную часть запасов. К
запасам категории С2 предъявляются следующие требования:
 размеры, форма, внутреннее строение оценены по данным геофизических исследований и подтверждены ограниченным количеством скважин и горных
выработок;
 контур запасов и качественная характеристика углей определены по результатам опробования редкой сетки скважин и горных выработок, а также методом
экстраполяции от участков с запасами более высоких категорий.
Ориентировочное соотношение запасов на месторождениях 1 группы сложности составляет: А – 10 %, В – 20 %, С1 – 50 %, С2 – 20 %.
Прогнозные ресурсы
Прогнозные ресурсы по степени их обоснованности характеризуются категориями Р1, Р2, Р3.
Ресурсы категории «Р1», учитывают возможность выявления новых угольных
пластов на разведанных и разведуемых месторождениях. Для количественной оценки ресурсов этой категории используются представления о размерах и условиях залегания
изученных
пластов.
Оценка
ресурсов
основывается
на
гелого-
геофизических исследованиях и данных, полученных на более изученной части месторождения.
Ресурсы категории «Р2» учитывают возможность обнаружения в бассейне или
угольном районе залежей угля, предполагаемое наличие которых основывается на
положительной оценке выявленных при крупномасштабной геологической съемке
угольных проявлений. Прогнозные ресурсы «Р2» оцениваются до глубин, доступных
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
для эксплуатации при современном и возможном в перспективе уровне техники и
технологии разработки месторождений.
Ресурсы категории «Р3» учитывают лишь потенциальную возможность открытия месторождения на основании стратиграфических, литологических, тектонических и палеогеографических предпосылок, выявленных в результате мелкомасштабных геологических исследований. Количественная оценка ресурсов проводится без
привязки к конкретным объектам на основе аналогии с более изученными районами.
Экономическая оценка запасов
Запасы угля и содержащихся в них полезных ископаемых по их экономическому значению подразделяются на две группы, подлежащие раздельному подсчету
и учету:
 балансовые (экономические);
 забалансовые (потенциально экономические).
Балансовые запасы подразделяются на:
а) запасы, извлечение которых на момент оценки согласно техникоэкономическим расчетам экономически эффективно в условиях конкурентного рынка при использовании техники и технологии добычи, обеспечивающих соблюдение
требований по рациональному использованию недр и окружающей среды;
б) запасы, извлечение которых на момент оценки не обеспечивает приемлемую эффективность их разработки из-за низких технико-экономических показателей, но освоение которых возможно при осуществлении со стороны государства
налоговых льгот, субсидий и т.д.
Забалансовые запасы – это:
а) запасы, отвечающие требованиям к балансовым запасам, но использование
которых на момент оценки невозможно по горнотехническим, правовым, экономическим и другим обстоятельствам;
б) запасы, извлечение которых на момент оценки согласно техникоэкономическим расчетам экономически нецелесообразно из-за низкой толщины
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пластов и их качества, но использование которых в ближайшем будущем может
стать экономически эффективным в результате технического прогресса, обеспечивающего снижение издержек производства.
Отнесение к балансовой принадлежности производится на основании специальных технико-экономических обоснований, подтверждается государственной экспертизой. Запасы угля подтверждаются в Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых (ГКЗ) РФ.
12 Подсчет запасов углей
12.1 Общие положения
Подсчет запасов является завершающим этапом поисково-разведочного процесса. В случае необходимости при эксплуатации может осуществляться пересчет
запасов с целью их уточнения.
При подсчете запасов выполняются следующие виды работ:
 оконтуривается площадь промышленного распространения угольных
пластов;
 устанавливается качество угля и попутных полезных ископаемых;
 определяется степень изученности запасов, т.е. их категория;
 подсчитывается количество балансовых и забалансовых запасов угля и
других полезных ископаемых с распределением по пластам.
С учетом результатов подсчета запасов определятся подготовленность месторождения для промышленного освоения.
Подсчет запасов на разведанных месторождениях производится по каждому
пласту, имеющему самостоятельное промышленное значение. Для площадей с запа-
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сами категории С2 допускается подсчет по углеплотности, то есть количеству угля
на единицу площади.
Запасы угля подсчитываются в единицах массы (тыс.т.) при естественной
влажности по формуле:
Q = V * γ,
где V – объем угольного пласта или его части, тыс.м3;
γ – удельный вес угля, т/м3.
12.2 Методы подсчета запасов
Пласты угля залегают в виде тел, ограниченных сложными поверхностями.
Для оценки объема тела производится графическое упрощение их форы, что облегчает производства вычислительных операций.
На
ранних
стадиях
изучения
месторождения
применяются
геолого-
статистический и среднеарифметический методы.
Геолого-статистический метод заключается в распространении по аналогии
на неразведанную площадь усредненных данных об угленосности, полученных по
результатам детальной разведки или эксплуатации изученной части месторождения.
Метод применяется для подсчета прогнозных запасов и для перспективной оценки
слабо разведанных площадей. Запасы угля определяются по формуле:
Q = S * h * γ *K,
где S - площадь подсчета, тыс.м2;
h - суммарная толщина пласта, м;
γ - плотность угля, т/м3;
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К - поправочные коэффициенты, учитывающие возможное ухудшение промышленной ценности угля, за счет уменьшения толщины пласта, выклинивания или
внутриформационных размывов, усложнения тектоники и т.д.
Метод среднеарифметический заключается в преобразовании тела полезного
ископаемого в единую призму с постоянной высотой по всей площади его распространения. Высота призмы определяется как среднеарифметическое значение по
данным о толщине пласта по всем горным выработкам по формуле:
n
Р
1
h
,
n
где h - высота призмы, м;
n – количество точек определения толщины пласта.
Данный метод применяют, как правило, для подсчета запасов выдержанных
или слабо нарушенных пластов по толщине и составу. Обычно метод используется
при необходимости осуществления быстрого оперативного подсчета слабо разведанных площадей и для общего контроля результатов подсчета запасов другими методами.
Метод геологических блоков. На подсчетных планах площади распространения балансовых и забалансовых запасов выделяются блоки, характеризующиеся
общностью основных подсчетных параметров: толщины пласта, степени нарушенности, качества угля, гидрогеологических условий. Тело пласта как бы преобразуется в ряд сомкнутых разновеликих фигур, каждой из которых придаются средние характеристики основных горно-геологических показателей (рисунок 7). Запасы угля в
каждом блоке подсчитываются как произведение его площади на среднюю для блока толщину пласта и на плотность угля, общие запасы равны сумме запасов отдельных блоков.
При выделении блоков охватываются площади, в пределах которых располагаются несколько горных выработок (иногда до 10). Количество горных выработок в
локе зависит от особенностей строения платов и изменчивости качества угля. Метод
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
геологических блоков является основным при подсчете предварительно или детально разведанных запасов углей.
Разновидностью метода геологических блоков является метод ближайшего
района (метод профессора Болдырева). Разница заключается в том, что площадь
подсчета запасов подразделяется на блоки, характеристика которых основывается на
данных одной горной выработки. Для этого метода характерны громоздкость и
сложность подсчетных операций, поэтому он применяется ограничено, лишь на месторождениях со сложным геологическим строением, где невозможно выделение
крупных блоков.
Метод изолиний применяется при горизонтальном или близком к нему залегании угольной залежи. При использовании этого метода на условной плоскости строятся изолинии равной толщины пласта. Расстояние между изолиниями выбирается в
зависимости от характера изменения толщины, густоты сети разведочных выработок. Подсчет запасов производится как сумма запасов, заключенных между соседними изолиниями, определяемых как произведение площади на среднюю толщину.
Метод изолиний применяется при подсчете запасов мощных угольных пластов при
значительных, но равномерных изменениях толщины и при наличии достаточно
большого количества выработок. Достоинством метода является создание наглядного представления о форме залежи.
Графическая основа подсчета запасов
Основу пространственных представлений при подсчете запасов создает увязанный между собой ряд графических приложений. Основными являются:
- сводный геолого-физический разрез, составленный по данным корреляции
геофизических исследований скважин и результатов обследования горных выработок;
- геологическая карта, полученная в результате геологического картирования
при поисковых работах с описанием и нанесением всех естественных и искусствен-
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ных обнажений, а также с данными колонкового бурения и других горных выработок;
- геологические разрезы, пересекающие залежь в различных, желательно прямолинейных направлениях;
- структурные карты, отражающие особенности строения кровли и почвы
угольных пластов;
- карты, отражающие изменение качества углей, их технологических свойств,
гидрогеологические и горные условия залежи.
Все приложения должны быть увязаны между собой и составлены в масштабах, которые позволяют сформировать четкое представление о залежах.
12.3 Вопросы и упражнения
1. Какие виды работ выполняются при подсчете запасов?
2. Как производится подсчет запасов на разведанных месторождениях?
3. Какие Вам известны методы подсчета запасов?
4. В чем сущность геолого-статистического метода?
5. В каких случаях применяют среднеарифметический метод при подсчете запасов?
6. Какой метод является основным при подсчете предварительно или детально
разведанных запасов углей?
7. Укажите разновидность метода геологических блоков. В чем заключается его
сущность?
8. В чем заключается метод изолиний?
9. Какие графические материалы используются в качестве графической основы
подсчета запасов?
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13 Горно-геологические особенности угольных месторождений
Месторождения углей характеризуются разнообразием горно-геологических
условий. На них влияет литологический состав и физико-механические свойства пород, слагающих угленосную толщу, способность угля к самовозгоранию, образованию пыли, генерации и сорбции газов. Имеет большое значение рельеф местности,
уровень подземных вод, распространение многолетней мерзлоты, сейсмическая активность района.
13.1 Литологический и состав и физико-механические свойства пород
Угленосные формации сложены, в основном, песчано-глинистыми разностями
пород: конгломератами, песчаниками, алевролитами, аргиллитами, реже карбонатами. Каждой породе свойственны определенные физико-механические свойства, влияющие на ее прочность, то есть способность сопротивляться разрушению при сжатии, растяжении, изгибе и скалывании. Выражается прочность в кг/см2. Отрицательное влияние на прочность пород оказывает серицитизация (наличие в породе слюд
различного состава). Снижение прочности пород отмечается в зоне выветривания,
глубина которой колеблется от 50 до 200 м, а также за счет водонасыщенности – на
15-35 %.
Физико-механические свойства пород являются основой для выбора необходимых размеров, расположения горных выработок, способов их крепления и охраны
и для решения других вопросов, связанных с вскрытием и отработкой месторождения.
Вопрос о прочности пород приобрел особое значение в связи с освоением глубоких горизонтов (например, в Донбассе до 1200 м).
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Осложняющими ведение горных работ является «пучение» пород под силой
сжатия и «горные удары», которые по разрушительной силе и внезапности проявления являются исключительно опасными.
К удароопасным относятся породы с пределом прочности на сжатие менее
980 кг/см2 при толщине пласта 10 м и более. Удароопасность повышается при наличии разрывных нарушений. Для предохранения от разрушения пород при проходке
горных выработок приходится иногда применять замораживание (Подмосковный
бассейн).
При отработке участков открытым способом особое значение приобретает
устойчивость бортов карьера. На устойчивость бортов и величины углов их наклона
оказывает влияние прочность пород, сопротивление сдвигу, степень трещиноватости.
Для месторождений с породами средней крепости (до 800 кгс/см2) углы
наклона бортов принимаются равными 38 – 45 º, для месторождений с преобладанием глинистых пород углы наклона уменьшаются до 25 - 30 º, иногда до 15 - 20 º.
Для условий открытых работ большое значение приобретает осушение продуктивных отложений и залегающих выше пород, так как неосушенные породы являются потенциальными оползнями.
Гидрогеологические условия являются важнейшим фактором при промышленном освоении месторождения. Работы по осушению пластов в шахтах или карьерах являются обязательными.
Важным фактором, который необходимо учитывать при разработке является
природная газоносность пород. Газы находятся в свободном или сорбированном на
поверхности пор состоянии.
Газы образуются в результате разложения и метаморфизма органического вещества. Основными компонентами являются метан, азот и углекислый газ, в меньшем количестве – окись углерода, водород, инертные газы.
Детальными исследованиями газоносности угольных месторождений в Советском Союзе установлены следующие природные газы: метан (СН4), углекислый газ
(СО2), тяжелые углеводороды (CnH2n+2), азот (N2), сероводород (H2S) и водород (Н2).
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Газы образуются в процессе превращения растительного материала в торф и уголь
как при метаморфизме, так и при выветривании углей, т.е. на всех этапах формирования и изменения ископаемого угля. При разложении клетчатки отмершего растения происходит образование метана и углекислого газа
2С6Н10О5 = 5СО2 + 5СН4 + 2С
и
4С6Н10О5 = 8СО2 + 7СН4 + 3Н2О + С9Н6О.
твердый остаток
Метан – основной газ угольных месторождений (среднее его содержание составляет от 60 % до 98 %). Он образовался главным образом за счет разложения растительного вещества при биохимических процессах, которые происходили в попеременно сменявшихся анаэробных и аэробных условиях. Опытами установлено, что
из 1 т растительных остатков, содержащих целлюлозу, образуется от 230 до 465 м3
метана.
Метан в чистом виде не имеет цвета, запаха и вкуса. С примесью других газов
он приобретает специфический запах. Для человека метан не вреден, но при большом количестве в содержание кислорода в воздухе становится недостаточным для
дыхания.
Плотность метана по отношению к воздуху равна 0,554, то есть газ почти в 2
раза легче воздуха вследствие чего он легко скапливается в верхних частях горных
выработок. Метан может гореть. При небольшом содержании в воздухе он горит синеватым пламенем, а при содержании около 50 % - серовато-голубым.
Основным и наиболее опасным свойством метана является образование с воздухом при соответствующих соотношениях взрывчатой смеси. Смесь с содержанием метана от 0 до 5 % сгорает без взрыва, причем горение происходит лишь в том
случае, если имеется постоянный источник высокой температуры. При содержании
метана от 5 – 6 % до 14 – 16 % смесь, соприкасаясь с пламенем, дает взрыв.
Наибольшая сила взрыва наблюдается при содержании в рудничном воздухе 9,5 %
метана, так как при этом весь кислород воздуха расходуется на сгорание метана.
Смесь с содержанием метана свыше 16 % не взрывается и не поддерживает горение,
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
так как в этих условиях кислорода воздуха недостаточно не только для сгорания
данного количества метана, но и для поддержания горения.
Метан воспламеняется при температуре 650 – 750 ºС, что называется температурой вспышки. С увеличением температуры и давления среды температура вспышки понижается и наоборот. При соприкосновении метана с источником высокой
температуры воспламенение его происходит не сразу, а с некоторым запаздыванием.
Если в воздухе кроме метана присутствуют водород, окись углерода и сероводорода,
то время запаздывания уменьшается, а при повышенном содержании указанных газов воспламенение наступает моментально. Растворимость метана в воде при давлении равном 98,0665 кПа и температуре 15 ºС достигает 49,5 см3/л.
Углекислый газ, которого содержится иногда 25 % от общего состава газа
угольных месторождений, также образовался в результате превращения растительного вещества при углеобразовании. Кроме того, углекислый газ, заключенный в
угленосных толщах, образуется в процессах сорбции атмосферного кислорода с
окислением углерода до углекислого газа, а также в результате привноса его циркулирующими водами в растворенном состоянии из верхних горизонтов биосферы.
Поступление этого газа в угленосную толщу может быть связано с магматизмом,
как, например, это имеет место в Донбассе, Кузбассе, Партизанском бассейне и др.
Углекислый газ бесцветен, со слабым кислым вкусом и слабым запахом. Он не
поддерживает дыхания и горения, легко и в больших объемах растворяется в воде.
Плотность его 1,25 г/см3, он в полтора раза тяжелее воздуха, а поэтому скапливается
у почвы выработок и в забоях уклонов. При слабом проветривании эти скопления
могут быть опасными для работы.
Азот, заключенный в угольных месторождениях, в основном воздушного
происхождения за счет привноса его подземными водами в растворенном состоянии
из верхних горизонтов биосферы. Кроме того, он мог образоваться при осадконакоплении в момент захвата в тех или иных количествах воздуха, который впоследствии лишился кислорода в результате окислительных процессов. И, наконец, частично азот в угольных месторождениях образовывался в результате биохимических
процессов (Кузбасс, Донбасс).
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Азот не имеет цвета, запаха и вкуса, плотность его 0,97 г/см3. Этот газ инертен
и не поддерживает ни дыхания, ни горения. Азот ослабляет взрывчатость метана;
например газ, состоящий из 10 % метана и 90 % азота, не дает с воздухом взрывчатой смеси. Растворимость азота в воде 16,3 см3/л при температуре 15 ºС.
Сероводород, главным образом, возникает при процессах превращения растительного вещества в результате восстановления сульфатов десульфирующими бактериями.
Кроме того, сероводород образовывался раньше и образуется в настоящее
время в угленосных толщах в результате реакции взаимодействия сульфатнонатриевых вод с метаном (возможно, при участии бактерий), что приводит к образованию гидрокарбонатно-натриевых вод (содовых) и свободного сероводорода.
Сероводород часто выделяется в горные выработки одновременно с гидрокарбонатно-натриевыми (содовыми) водами. В отдельных случаях сероводород может
образовываться при гниении органических веществ (особенно древесины) без доступа воздуха и при разложении водой серного колчедана и гипса.
Сероводород – газ без цвета, с характерным запахом тухлых яиц, со сладковатым вкусом. Плотность его 1,19 г/см3. Он хорошо горит и при содержании 6 % дает
с воздухом взрывчатую смесь. Так же, как углекислый газ, легко растворяется в воде: при температуре 20 ºС в одном объеме воды растворяется 2,5 объема газа. Сероводород очень ядовит. Он отравляет кровь и раздражает слизистые оболочки глаз и
дыхательных путей. По данным наблюдений, при дыхании воздухом, содержащим
0,02 % сероводорода, через 5 – 8 минут ощущается сильное раздражение слизистых
оболочек глаз, носа и горла, а при содержании 0,10 – 0,15 % наступает смерть. Содержание сероводорода в воздухе 0,00066 % считается предельно опасным.
Водород, встречаемый среди газов угольных месторождений (до 15 – 20 %),
особо интересен как в теоретическом, так и в практическом отношении. Сделать
окончательное заключение о генезисе водорода в настоящее время невозможно.
Происхождение его, по-видимому, связано с биохимическими процессами происходящими еще в период превращения растительного вещества в угольную массу. Возможно, водород образовался в результате глубокого метаморфизма угольного веще99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ства при соответствующих термодинамических условиях. И, наконец, водород среди
газов угольных месторождений может быть и глубинного происхождения, этот газ
может образовываться на глубине при воздействии водяных паров на железистые
силикаты, входящие в состав горных пород, при температуре примерно 300 – 500 ºС.
Водород, газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность его 0,069 г/см3. Это самый
легкий газ, он почти в 14,5 раз легче воздуха. Растворимость в воде незначительна: в
100 объемах воды при температуре 20 ºС растворяется 1,8 объема водорода. Водород не ядовит, дыхание не поддерживает, горит и взрывается. При содержании водорода в воздухе до 4 % он горит только при постороннем источнике высокой температуры.
Газовая смесь, содержащая 4 – 74 % водорода является взрывчатой. По правилам безопасности содержание в шахте водорода в сумме с метаном не должно превышать 0,5 %.
Тяжелые углеводороды (главным образом этан – С2Н6, плотность его
1,049 г/см3) в угленосной толще образовались, по-видимому, также в результате метаморфизма угольного вещества. В отдельных пробах газа из углей содержится 13 –
15 % тяжелых углеводородов (Кузбасс). Редкие газы (He, Ar, Kr, Xe), за исключением гелия, который имеет, радиоактивное происхождение, как правило, воздушного
генезиса.
Для предотвращения взрывов и отравления газом в горных выработках предусматривается выветривание и организуется постоянный контроль за составом газов.
Пыленосность проявляется при бурении шурфов, взрывных работах, комбайновой разработке, погрузке, погрузке добытого угля. Угольная пыль является взрывоопасной, особенно при наличии метана. Во всех шахтах осуществляются специальные мероприятия по подавлению пыли (опрыскивание водой).
Попадая в легкие людей, пыль вызывает заболевание (антракоз – от угольной
пыли, силикоз – от породной пыли).
Самовозгорание углей имеет довольно широкое распространение. Причиной
является адсорбция углями кислорода и повышение температуры за счет протекания
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
химических реакций. Скрытая стадия развития процесса проходит в течение 2 - 3
месяцев.
Возникновение пожаров от самовозгорания углей обуславливается природными и горнотехническими предпосылками. К природным предпосылкам относятся
состав углей и степень его метаморфизации, толщина пластов и условия залегания.
Чаще пожары возникают в пластах с повышенной толщиной и крутых углах падения
в связи с увеличением зон обрушения и доступа к этим зонам воздуха. Способность
к окислению возрастает с уменьшением крупности зерен угля. Высокоактивными к
самовозгоранию являются бурые угли, умеренными – каменные, малоактивными –
антрациты.
Горнотехнические условия разработки также определяют опасность возникновения пожаров. Для предотвращения пожаров предусматриваются необходимые
условия разработки, способы транспортировки угля на поверхность, схемы вентиляции и другие горнотехнические мероприятия.
Геотермические условия. Распределение температуры на поверхности земли
определяется внешними условиями. На глубине более 15 м сезонные колебания
температуры незначительны. С глубиной температура изменяется в соответствии с
геотермическим градиентом (от 1 ºС до 4 ºС на 100 м глубины). Распределение геотермического градиента неравномерно в бассейнах геосинклинального и платформенного типа. Более высокий градиент характерен для геосинклиналей. Температура в горных выработках не должна быть выше 25 ºС, превышение этого предела вызывает необходимость применения усиленной вентиляции и искусственного охлаждения воздуха.
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14 Промышленное использование углей
Наиболее распространенным видом промышленного использования углей является сжигание их в топках энергетических установок. Для этих целей могут использоваться все марки углей и торфа.
Наибольшей теплотой сгорания обладают угли марок Ж (жирные), К (коксовые) и ОС (отощенно-спекающиеся), однако их сжигание не целесообразно, так как
они используются в качестве ценного сырья в коксохимической промышленности.
Только для судов морского и речного флота использование этих марок углей допустимо. Для сжигания в стационарных топках для производства цемента, кирпича
или использования для коммунальных нужд применяются слабоспекающиеся угли
или брикеты из них.
Для пылевидного сжигания в котельных установках употребляют бурые и
многозольные каменные угли, для этого их подвергают тонкому размолу и просушиванию. Сжигание пылевидного топлива дает высокий экономический эффект.
Коксование углей является вторым основным направлением промышленного
использования углей. Коксование углей основано на способности коксующих сортов углей или их смесей при нагревании до 750 – 1100 ºС без доступа воздуха давать
твердый остаток – кокс (практически чистый углерод). В результате получается не
только ценное металлургическое сырье – кокс, но и химические продукты широкого
ассортимента и высококалорийный коксовый газ. Из 1 тонны сухого угля получается 75 – 85 % кокса, до 3 - 4 % смолы, 1 % сырого бензола, 0,4 % аммиака и 320 м3
коксового газа.
Для коксования используют неокисленные каменные угли с нормативным содержанием золы, влаги, серы, летучих веществ и фосфора. Раньше для этого использовали только одни коксовые угли. В настоящее время используются угли различных марок от ГЖ до ОС.
Основная масса кокса используется в черной металлургии для выплавки чугуна (доменный кокс), а также в цветной металлургии, в химической и других отрас102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лях промышленности. Такие продукты коксования как смола и газ служат сырьем
для изготовления самых разнообразных и многочисленных химических продуктов –
от взрывчатых веществ до сахарина, от карболовой кислоты до утонченных духов и
от лекарственных препаратов до ядов. Аммиачную воду используют для производства азотной кислоты.
Полукоксование – это низкотемпературная перегонка без доступа воздуха. При
нагревании до 500 ºС уголь разлагается с образованием твердого остатка – полукокса, смол и газа.
Полукокс используется как облагороженное топливо (бездымное). Из смолы
путем разгонки получают бензин, керосин, дизельное топливо и др. вещества. Остаток от разгонки – «пек» - употребляется для дорожных покрытий. Газ, выделяющийся при перегонке, состоит в основном из метана (до 70 %) и воды (20 %).
Газификация углей – это процесс, при котором органическая часть угля под
влиянием высокой температуры и воздействия воздуха и водяного пара превращается в горючие газы.
В зависимости от применяемого для воздействия газа (воздуха, кислорода) и
количества водяного пара получаемый газ имеет различный химический состав.
Смешанный газ – получается при дутье смеси воздуха и водяного пара. Состоит из окиси углерода – 25 %, водорода – 13 %, азота – 5 2%. Теплота сгорания 5,3 –
7 МДж/кг.
Водяной газ – получают при газификации водяным паром. Состоит из окиси
углерода (37 %), водорода – до 50 %. Теплота сгорания – до 12 МДж/кг.
Горючие сланцы – используются, в основном, в качестве топлива на электростанциях. При нагревании сланцев без доступа воздуха до 500 ºС или с воздухом до
1000 ºС органическое вещество разлагается с выделением нефтеподобной смолы и
горючих газов. Выход смолы составляет 10 - 50 %.
Смола идет на выработку моторного топлива. Смазочных масел, фенолов, ихтиолов, плавленого цементного клинкера.
Горючие газы используются в качестве высококалорийного топлива.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С целью снижения зольности низкосортных углей последние предварительно
обогащаются. Процесс обогащения заключается в отделении и удалении от угля породных прослойков, а также минеральных включений, дающих так называемою
внешнюю золу.
Тонко рассеянные минеральные примеси, образующие внутреннюю золу, почти не поддаются удалению, и такие угли считаются труднообогатимыми. В настоящее время часть высокозольных углей сжигается в виде пыли с вдуванием ее в
топку котлов через форсунки. Такой вид сжигания обеспечивает более полное сгорание угля при меньшем его расходовании в сравнении с кусковым углем. Сжигание
низкосортного угля в топках производится также в форме брикетов, т.е. плиток,
прессованных из нестойких, быстро рассыпающихся углей (в основном бурых) и
угольной мелочи с добавлением в нее в отдельных случаях битумов как связывающих веществ.
Гидрогенизация (получение искусственного жидкого топлива) производится
путем воздействия на уголь водорода в присутствии катализаторов, в результате чего получается выброс жидких горючих до 70 % от горючей массы. Для этого применяются только малозольные, в основном битуминозные угли.
Экстракция (получение горного воска) производится из битумов бурых углей.
Основным показателем, при оценке углей идущих для этой цели, является не только
общий выход битума, но и главным образом процентное содержание воска и качественная его характеристика.
По инструкции Государственной комиссии по запасам угли и сланцы по видам
их использования в промышленности подразделяются на энергетические, коксовые,
пригодные для полукоксования, для получения жидкого топлива и для газификации.
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15 Промышленная классификация углей
Оценка качества углей
Промышленные классификации обычно отражают имеющуюся практику использования ископаемых углей. В основу их построения положены важнейшие показатели качества углей, позволяющие комплексно оценить наиболее важные технологические свойства углей для ведущих направлений их использования: энергетического, металлургического, химико-технического и другого производства.
Первоначально промышленные классификации разрабатывались для каменных углей, которые обладают достаточно широким диапазоном технологических
параметров, и, следовательно, разнообразием областей применения. В качестве
примера можно привести широко распространённую с конца прошлого столетия в
западноевропейских странах классификацию инженера Грюнера (таблица 13). Принятые в ней систематизация и параметры применены в классификациях углей США,
Великобритании и действовавшей в СССР до 1957 г классификации донецких углей,
которая использовалась для оценки качества углей других бассейнов и месторождений.
В 1956 - 1980 гг в нашей стране были введены в действие «бассейновые» классификации углей, выявленных в основных каменно-угольных бассейнах и отдельных экономический районах, таких как Урал, Средняя Азия, Восточная Сибирь,
Дальний Восток, северо-восточные районы, о. Сахалин. Угли в каждом районе подразделялись на технологические марки и группы по схожести генетических особенностей и основных энергетических и технологических параметров.
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 13 - Классификация каменных углей Грюнера
Элементный состав, %
Типы углей
С
Н
+
Свойства
нелетучего
остатка
Выход
нелетуче- (коксового
го остатка королька)
1.Сухие длиннопламенные
7,5-80
5,5-4,5
19,5-15
4-3
50-60
2.Жирные
длиннопламенные
80-85
5,8-5,0
14,2-10
3-2
60-68
3.Жирные или
кузнечные
84-89
5-5,5
11-5,5
2-1
63-74
4.Коксовые
84-91
5,5-4,5
6,5-5,5
1
74-82
5. Тощие или
полуантрациты
90-93
4,5
5,5
1
82-90
Бурые
угли,
выделяемые
по
показателю
отражения
Порошок
или чуть
спекшийся
Сплавленный, сильно
Сплавленный, средней плотности
Сплавленный, очень
плотный
Спекшийся
или порошок
<0,5
%
и
<5700 ккал/кг, разделили по величине массовой доли рабочей влаги (Wr) на три
группы:
 Б1>40 % ,
 Б2 30 - 40 % ,
 Б3 30 -4 0 % , Б3<30 %.
Каменные угли подразделялись по выходу летучих веществ и спекаемости на
девять марок: длиннопламенный (Д), газовый (Г), газовый жирный (ГЖ), жирный
(Ж), коксовый жирный (КЖ), коксовый (К), отощенный спекающийся (ОС), слабоспекающийся (СС), тощий (Т).
Спекающиеся каменные угли марок Г - СС в ряде бассейнов и месторождений
разделяли на группы по нижнему пределу толщины пластического слоя, численное
значение которого дополняло символ обозначения марки. Цифровые значения вы106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
хода летучих и толщины пластического слоя для углей одинаковых марок в различных бассейнах и месторождениях различались.
Практическое применение приведенных выше промышленных классификаций
не позволяло решить один из основных вопросов использования углей – взаимозаменяемости их из различных бассейнов и месторождений в технологических процессах при одном и том же направлении их переработки. Угли одинаковых марок и
близкой технологической группы месторождений не только различных, но и иногда
одних и тех же бассейнов, часто имеют существенные различия в составе и свойствах. Это обусловлено особенностями исходного органического вещества и условий его преобразования. Для установления связей между составом, химическим
строением, происхождением, условиями образования углей и их важнейшими технологическими свойствами, разрабатывались и использовались в практике промышленно-генетические классификации.
В 1988 г введена в действие единая классификация неокисленных ископаемых
углей Советского Союза (ГОСТ 25543-88). Она предусматривает их подразделение:
по видам – на бурые, каменные и антрациты; по генетическим параметрам - на классы, категории, типы и подтипы; по технологическим параметрам – на марки, группы
и подгруппы. Подразделение ископаемых углей на виды производиться по параметрам и их значениям, представленных в таблице 14.
Таблица 14 – Параметры для подразделения неокисленных ископаемых углей
(ГОСТ 25543-88)
Виды угля
Бурый
≤0,60
Каменный
От 0,40 до 2,39
Антрацит
≥2,40
_* бурые и каменные угли различаются по
циты – по
, МДж/кг
,%
и
,%
<24
_*
≥24
≥9
_*
<9
, каменные угли и антра-
и
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Генетические параметры подразделения углей
Класс угля характеризует степень метаморфизма углей по среднему показателю отражения витринита
. Номер класса соответствует минимальному значению
оцениваемых углей, умноженному на 10. По этому показателю выделено 50
классов углей: 5 - бурых углей (классы 02 - 05), 22 - каменных углей (04 - 25) и 29антрацитов (классы 22 - 50).
Категория отражает петрографический состав углей по содержанию фюзенизированных отощающих при коксовании компонентов ОК, при этом номер категории соответствует минимальному значению ОК, которое делится на 10.
Тип и подтип угля определяют по важнейшим для выбора направления их
промышленного использования параметрам. Тип и подтип отражают неодинаковую
степень восстановленности органического вещества. Повышенная степень восстановленности бурых углей обусловливает более высокий выход смолы полукоксования: каменные изометаморфизованные угли с одинаковым или близким петрографическим составом обладают более высокой спекаемостью, в антрацитах снижается
показатель анизотропии отражения витринита. Структурные особенности и петрографический состав бурых углей отражаются на их влагосодержании.
Тип угля определяют по максимальной влагоемкости на беззольное состояние
Wmax для бурых углей, выходу летучих веществ, расчитанным на сухое беззольное
состояние топлива,
для каменных углей и объемному выходу летучих веществ
на сухое беззольное состояние
нимальным значения: Wmax бурого,
для антрацитов. Номер типа соответствует микаменного и деленое на 10 значения
антрацитов.
Подтип угля определяют по выходу смолы полукоксования на сухое беззольное состояние
для бурых углей, толщине пластического слоя У и индексу Рога
PJ для каменных углей, анизотропии отражения витринита для антрацитов. Номер
подтипа соответствует минимальным значениям величин указанных показателей в
изучаемом угле.
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По совокупности всех генетических параметров каждый уголь обозначается
семизначным кодовым числом, в котором первые две цифры указывают номер класса, третья – номер категории, четвертая и пятая - номер типа, шестая и седьмая –
номер подтипа. Так, например, кодовый номер 1123219 будет иметь каменный уголь
любого бассейна или месторождения с показателем отражения витринита
=1,10 -
1,19 %), содержанием фюзенизированных компонентов ОК=20 - 29 %, выходом летучего вещества
= 32 – 34 % и толщиной пластического слоя 19 мм.
Технологические параметры подразделения углей
Угли с различными кодовыми номерами со сходными технологическими
свойствами в основных процессах переработки объединяют в технологические марки, группы, подгруппы. Таким образом выделено 17 марок. При этом для бурых углей и антрацитов выделено по одной марке (соответственно Б и А), для каменных –
15: длиннопламенные (Д), длиннопламенные газовые (ДГ), газовые (Г), газовые
жирные отощенные (ГЖО), газовые жирные (ГЖ), жирные (Ж), коксовые жирные
(КЖ), коксовые (К), коксовые отощенные (КО), коксовые слабоспекающиеся (КС),
отощенные спекающиеся (ОС), тощие спекающиеся (ТО), слабоспекающиеся (СС),
тощие (Т).
Марки бурых, каменных (исключая марки Д, ДГ, КЖ, КС и ТС) и антрацитов
подразделяют на группы. Основные параметры для такого подразделения являются:
марки Б - генетический тип (по максимальной влагоемкости); марок Г и Ж – генетический тип (по различиям в спекаемости изометаморфизованных углей); марок
ГЖО, ГЖ, К, КО, КС, ОС, СС, Т и А – генетические классы углей (по величине
),
в меньшей мере – принадлежность углей одной и той же марки к различным типам
(по
каменных и
антрацитов).
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наименование группы предшествует названию марки: первый бурый, второй
газовый и т.д.; перед условным обозначением марки ставят номер группы (например, 1Б, 2Г и т.п.).
Объединение углей однинаковых марок и групп в подгруппы производят по
характеристике петрографического состава (категории). Углям с номерами категории 1, 2, 3-й (ОК меньше 40 %) присваивается наименование витринитовых, к категориям 4-й и выше – фюзенитовых, что указывается после названия соответствующей марки (например, второй газовый витринитовый или второй газовый фюзенитовый) и отражается в условном обозначении марки и группы угля дополнением ее
буквами В и A (например, 2ГВ или 2ГФ). Для бурых углей 1Б, каменных 2Г, ГЖ, Ж,
КЖ, СС – подгруппы угля не выделяют.
Технологические марки, группу и подгруппу устанавливают для каждого пласта по совокупности генетических параметров. Например, уголь, характеризующийся показателям:
– 1,48 %, ОК – 43 %,
- 18,3 %, У – 10 мм, соответствующий
классу 14, категории 4, типу 18, подтипу 10, относиться к марки ОС, группе 10С,
подгруппе 10СФ (кодовый номер 1441810). При сочетании класса, категории, типа и
подтипа исследуемого угля, не соответствующего указанным в таблице 13, он относиться к технологической марки группе и подгруппе в соответствии с его классом и
подтипом.
Международная классификация каменных углей и антрацитов была принята в
1956 г Комитетом по углю Европейской экономической комиссии ООН. Границей
между бурыми и каменными углями является установленное значение высшей
удельной теплоты сгорания в пересчете на условно влажное (96 % относительной
влажности при 30 ˚С) беззольное состояние
. К каменным отнесены угли с
более 23,87 МДж/кг.
Классификация построена по кодовой системе. Первая цифра кода – класс угля – характеризует его метаморфизм по выходу летучих веществ
лоте сгорания
углей с
или по теп-
более 33 %. Вторая цифра – группа угля – характе-
ризует спекаемость углей по показателю свободного вспучивания SJ или по индексу
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рога PJ, третья цифра – коксуемость по показателю дилатации b, определённого методом Одибера-Арну, или по типу кокса Грей-Кинга.
В международной классификации бурых углей, принятой тем же Комитетом в
1957 г, их подразделение произведено на шесть классов – по естественной (рабочей)
влажности
(
) и на 5 групп – по выходу первичной смолы
. Угли обозна-
чаются кодовым четырехзначным числом, первые две цифры которого указывают
их класс, вторые две – группу угля.
16 Оценочные средства для самоконтроля, текущего контроля
успеваемости и промежуточной аттестации
16.1 Образцы тестов для проведения текущего контроля
1 Твердая горючая осадочная порода растительного происхождения, всегда содержащая некоторое количество минеральных примесей (золы), называется
- уголь;
- гранит;
- черный сланец;
- дунит.
2 Подобно тому, как неорганические породы состоят из минералов, уголь состоит из
- своих минералов;
- мацералов;
- различных обособлений;
- идиоморфных кристаллов.
3 Типы угля, характеризующие уголь как горную породу, называются
- мацералами;
- типы текстур;
- петрографические типы угля;
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- типы структур.
4 Классифицируют угли по следующим признакам
- генетическим (25 %);
- петрографическим (25 %);
- по степени метаморфизма (25 %);
- химико-технологическим свойствам (25 %).
5 Тип угля, представляющий собой обугленные остатки растительных тканей, напоминающий обычный древесный уголь, хрупкий, пачкает пальцы, встречающийся в
виде тонких линзочек, примазок по плоскостям напластования в угле, матовый,
называется
- дюрен;
- витрен;
- кларен;
- фюзен.
6 Плотный матовый уголь, часто неслоистый, обычно имеет зернистое строение и,
как правило, в противоположность фюзену слагает отдельные слои и пласты. В неоднородных типах встречаются тонкие линзы и полоски блестящего угля (витрена)
и матового (фюзена). Этот тип угля называется
- дюрен;
- витрен;
- кларен;
- фюзен.
7 Наиболее блестящий тип угля, как правило, резко отграниченный от других ингредиентов, встречается в виде более или менее длинных однородных линз (мощностью обычно не более 1-3 см) и штрихов. Очень хрупок, на изломе часто видны
мелкая глазковая отдельность и раковистый излом. Представляет собой остатки растительной ткани, подвергшейся процессам остудневания, а не обугливания. Тип угля называется
- дюрен;
- витрен;
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- кларен;
- фюзен.
8 Блестящий или полублестящий уголь, может залегать мощными прослойками и
даже нацело слагать пласты угля. Включает небольшие линзы витрена и фюзена.
Обычно слоистый, менее блестящ и менее хрупок, чем витрен. Это
- дюрен;
- витрен;
- кларен;
- фюзен.
9 По исходному материалу угли подразделяются на
- гумолиты (50 %);
- мергели;
- сапропелиты (50 %);
- горючие сланцы.
10 Естественное скопление угленосных отложений с пластами угля, занимающих
определенное стратиграфическое положение в осадочной толще земной коры называется:
- угольным бассейном;
- угольным месторождением;
- угольной провинцией;
- угольным пластом.
11 По степени вторичных изменений, развивающихся под влиянием геологических
факторов различают угли различной стадии метаморфизма
- мергели, битумы, кероген;
- сапропелиты, липтобиолиты;
- бурые, каменные, антрациты;
- Д, Т, А, С, К и др.
12 Среди каменных углей различают основные марки по углефикационным изменениям
- мергели, битумы, кероген;
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- сапропелиты, липтобиолиты;
- бурые, каменные, антрациты;
- Д, Т, А, С, К, Г, ГЖ, ОС.
13 Формирование углей связывают с
- двумя стадиями;
- тремя стадиями;
- одной стадией;
- пятью стадиями.
14 Хорошую спекаемость угля обеспечивает повышенное содержание
- семивитринита;
- витринита;
- инертинита;
- липтинита.
15 Глинистые породы, обычно слоистые, обладающие способностью легко загораться от спички и горящие коптящим пламенем, называются
- углями;
- гранитами;
- горючими сланцами;
- дунитами.
16 Горение горючих сланцев обусловлено наличием в них
- глины;
- воды;
- серы;
- углеводородных веществ – битумов.
17 Органическое вещество сланцев, состоящее преимущественно из структурных и
бесструктурных микрокомпонентов и сложной сорбционной смеси, называется
- кероген;
- дюрен;
- витрен;
- кларен.
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
18 Основные сведения о составе и технической ценности угля дает
- текстурно-структурный анализ;
- рентгеноструктурный анализ;
- технический анализ;
- спектральный анализ.
19 Основным классификационным показателем для каменных углей в большинстве
классификаций мира служит
- выход летучих веществ;
- содержание органических веществ;
- содержание углерода;
- теплота сгорания топлива.
16.2 Контрольные вопросы для зачета по дисциплине
1 Виды твердых горючих ископаемых.
2 Их применение, энергетическая характеристика, доля в общем балансе источников
энергии.
3 Происхождение твердых горючих ископаемых.
4 Геохимия углерода. Круговорот углерода в природе.
5 Исходное углеобразующее вещество и стадии его преобразования.
6 Гумолиты. Торф. Предпосылки торфообразования.
7 Угли. Стадийность превращения углей.
8 Предпосылки, необходимые для углеобразования.
9 Метаморфизм углей (статический, региональный, контактный, радиогенный).
10 Свойства и классификация углей. Вещественный состав углей. Макроингредиенты и микрокомпоненты углей
11 Макроскопические свойства.
12 Химические свойства углей. Элементный анализ углей.
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13 Элементный анализ углей. Физические, петрографические свойства углей.
14 Влияние метаморфизма углей на основные физико-химические свойства.
15 Автохтонный и аллохтонный пути накапливания органического вещества.
16 Состав и строение угленосных формаций.
17 Угольные пласты.
18 Сопутствующие полезные ископаемые угленосных формаций.
19 Угленосные провинции, бассейны, месторождения.
20 Классификация угольных бассейнов.
21 Угольные бассейны и месторождение палеозоя (каменноугольной системы).
22 Угольные бассейны и месторождения мезозойского возраста.
23 Угольные бассейны и месторождения кайнозойского возраста.
24 Горючие сланцы.
25 Геологические запасы углей.
26 Изучение геологического строения угольных месторождений. Общие задачи и
принципы изучения.
27 Детальная разведка.
28 Технические средства разведки месторождений.
29 Детальное геологическое картирование. Геофизические исследования.
30 Горно-разведочные выработки.
31 Промыслово-геофизические методы исследования скважин.
32 Запасы угольных месторождений. Классификация запасов.
33 Подсчет запасов углей, общие положения, методы подсчета.
34 Горно-геологические особенности угольных месторождений. Литологический состав, физико-механические свойства, газо-пыленосность, самовозгораемость.
35 Промышленное использование твердых, горючих полезных ископаемых.
36 Мацеральный состав углей.
37 Генетическая классификация твердых горючих полезных ископаемых
38 Качество углей и горючих сланцев.
39 Характеристика Камско-Ачинского угольного бассейна
40. Группа геосинклинальных месторождений.
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
41 Характеристика Подмосковного угольного бассейна
42 Характеристика Донецкого угольного бассейна
43 Характеристика Кузнецкого угольного бассейна
44 Характеристика Иркутского угольного бассейна
45 Характеристика Сахалинского угольного бассейна
46 Характеристика Южно Уральского буроугольного бассейна.
16.3 План характеристики угольного бассейна
1. Географическое положение угольного бассейна, его площадь.
2. Размещение в современных структурах земной коры
3. Стратиграфия и тектоник.
4. Геологический возраст
5. Угленосность. Мощность угленосных формаций.
6. Число угольных пластов, в том числе и рабочих.
7. Особенности геологического строения, схемы.
8. Качество углей, марочный состав.
9. Запасы геологические, отвечающие современным кондициям, разведанные.
10. Направления использования углей.
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Список использованных источников
1 Баранников, А.Г. Прогнозирование и поиски месторождений полезных ископаемых: учебное пособие для ВУЗов / А.Г.Баранников.- Екатеринбург: Уральская
государственная горно-геологическая академия, 1999. - 142 с.
2 Волков, В.Н. Основы геологии горючих ископаемых: учебное пособие для
вузов / В.Н. Волков. – СПб: Изд-во СПбУ, 1993.
3 Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР: справочник / под
ред. И.И Амосова [и др.]. - М.: Недра, 1967.
4 Геофизика: учебник / под ред. В.К. Хмелевского. – 2-е изд. – М.: КДУ, 2009.
– 320 с.
5 Гинзбург, А.И. Рациональный комплекс петрографических и химических
методов исследования углей и горючих сланцев / А.И. Гинзбург, А.В. Лапо, И.А.
Летушова. – Л.: Недра, 1976.
6 Инструкция по применению Классификации запасов к месторождениям углей и горючих сланцев. – М.: [б. и.] 1983. – 47 с.
7 Жемчужников, Ю.А. Общая геология ископаемых углей / Ю.А. Жемчужников. 2 изд. – М.: [б. и.] 1948. – 491 с.
8 Иванов, Г.А. Угленосные формации / Г.А. Иванов. – Л.: [б. и.] 1967. – 407 с.
9 Кравцов, А.И. Месторождения горючих ископаемых / А.И. Кравцов,
Н.И. Погребнов.- М.: Недра, 1975. – 149 с.
10 Кирюков, В.В. Методы исследования вещественного состава твердых горючих ископаемых / В.В. Кирюков. – Л.: Недра, 1970.
11 Клер, В.Р. Изучение и геолого-экономическая оценка качества углей при
геологоразведочных работах / В.Р. Клер. – М.: Недра, 1975.
12 Лощинин, В.П. Поиски, разведка и геолого-экономическая оценка месторождений полезных ископаемых: учебное пособие / В.П. Лощинин, Г.А. Пономарева. – Оренбург: ОГУ, 2015. – 101 с.
13 Месторождения полезных ископаемых: учебник / В.А. Ермолов [и др.]. –
М.: Изд-во МГГУ, 2001.
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14 Миронов, К.В. Разведка и промышленная оценка угольных месторождений
/ К.В. Миронов. - М.: Недра, 1977. – 253 с.
15 Миронов, К.В. Справочник геолого-угольщика / К.В. Миронов. – М.:
Недра, 1991.
16 Овчинников, В.В. К вопросу о генезисе Садкинского месторождения асфальтита / В.В. Овчинников, Г.А. Пономарева // Вестник Оренбургского государственного университета. – Оренбург: ОГУ, 2015. – № 5. – С. 147-151.
17 Основы геологии горючих ископаемых: учебник для вузов / под ред.
И.В. Высоцкого. – М.: Недра, 1987.
18 Основы горного дела: учебник для вузов / П.В. Егоров [и др.]. – Изд-во
МГГУ, 2000.
19 Панкратьев, П.В. Лабораторные методы исследования минерального сырья.
Физико-химические методы исследования: учебное пособие / П.В. Панкратьев,
Г.А. Пономарева. – Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2008. – 177 с.
20 Патент № 2409810 РФ МПК51 G01N 31/00 Способ разложения проб при
определении благородных металлов в углеродистых породах / Г.А.Пономарева,
П.В.Панкратьев; 2011. - Бюл. № 2. – 7 с.
21 Пономарева, Г.А. Региональные закономерности распределения платиноидов в Оренбургской части Южного Урала: автореф. дис….канд. геол-мин. наук:
25.00.11. – Екатеринбург, 2013. – 23 с.
22 Пономарева, Г.А. Золотопроявления в черносланцевых формациях палеозоя
восточного Оренбуржья и их генезис / Г.А. Пономарева, В.П. Лощинин // Вестник
Оренбургского государственного университета. – Оренбург: ОГУ, 2013. – № 5. – С.
147-151.
23 Пономарева, Г.А. Пространственные закономерности распределения платины и палладия в нефтегазовых месторождениях Оренбургской области/
Г.А. Пономарева // Известия ВУЗов. Горный журнал. – Екатеринбург, 2015. № 7 – С.
23 - 29.
24 Пономарева, Г.А. Металлогеническое районирование Оренбургской части
Южного Урала по платиноидной специализации / Г.А. Пономарева // Вестник Орен119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
бургского государственного университета. – Оренбург: ОГУ, 2015. – № 6. – С. 147151.
25 Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых: учебник для вузов / В.В. Авдонин [и др.]. – М.: Мир, 2007. – 540 с.
26 Положение о порядке проведения геологоразведочных работ по этапам и
стадиям (твердые полезные ископаемые). – М.: ВИЭМС, 1999. – 28 с.
27 Промышленно-генетическая классификация углей СССР / И.И. Амосов [и
др.]. – М.: Наука, 1964.
28 Стряпков, А.В. Технический анализ углей: методические указания /
А.В. Стряпков, Д.А. Раздобреев. – Оренбург: Изд. ОГУ, 2002. - 45 с.
29 Хрусталева, Г.К. Геология и промышленные типы месторождений твердых
горючих ископаемых: учебник / Г.К. Хрусталева, В.Н. Труфанов. – Ростов на Дону:
Изд-во ЮФУ, 2007. - 240 с.
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное пособие
Галина Алексеевна Пономарева
ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ УГЛЯ
И ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
121
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
389
Размер файла
1 193 Кб
Теги
углях, горючие, 6174, основы, геология, сланцев
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа