Каменный уголь - состав, характеристика и происхождение

Образование и свойства

Уголь — горючее полезное ископаемое, представляющее собой изменённые остатки доисторической растительности, которые изначально накапливались в болотах и торфяниках. Древняя флора консолидировалась между другими слоями осадочных пород и преобразовывалась под воздействием давления и тепла на протяжении миллионов лет.

Таким образом под действием физических сил образовывались пласты и формировался состав каменного угля, включающий углерод (90%), водород (5%) и другие незначительные примеси. Поскольку углерод всё же преобладает, то химическая формула вещества обозначается С — первой буквой латинского слова Carbo.

Происхождение каменного угля подтверждается не только с помощью геологических исследований и методов химического анализа, но и многочисленными находками. В залегающих глубоко под землёй пластах очень часто встречаются отпечатки листьев доисторических папоротников и живых организмов. Активированный уголь является древесным и к ископаемому топливу отношения не имеет.

Образование каменного угля началось во время каменноугольного периода от 360 до 290 миллионов лет назад. Качество каждого месторождения определяется физико-химическими условиями формирования и длительностью их воздействия, что называется «органической зрелостью». Отсюда следует классификация породы на несколько разновидностей (рангов) по степени изменения:

• Первоначально торф превращается в бурый уголь или лигнит. По сравнению с другими видами, он довольно мягкий и рыхлый, а цвет варьируется от чёрного до различных оттенков коричневого. Характеризуется высоким уровнем влажности и низким содержанием углерода, а, следовательно, и энергии.
• За миллионы лет зрелость лигнита увеличивается и он превращается в суббитуминозные угли. По соотношению содержания воды и СО2 они находятся в промежуточном положении.
• Дальнейшие изменения происходят до тех пор, пока не образуются битумные угли. Они довольно твёрдые и прочные, имеют чёрный стекловидный блеск.
• При определённых условиях «дозревание» достигает качества антрацита, который отличается самым высоким содержанием углерода и низкой влажность. По энергопотенциалу эта марка является наиболее продуктивной.

Плотность угля изменяется, в зависимости от его ранга и содержания минеральных примесей, снижающих теплотворную способность. Этот показатель имеет важное значение для определения методов обогащения (очистки от примесей).

Относительная плотность измеряется как удельный вес, представляющий собой отношение массы объекта к массе равного объёма воды при t 4 °C. Этот показатель для воды соответствует единице, а значит материалы с удельным весом менее 1 не тонут. Поскольку величина варьируется, в зависимости от ранга, её можно определить для разных марок угля:

• антрацит — 1,47;
• битумный — 1,32;
• суббитуминозный — 1,3;
• бурый — 1,29.

Эти цифры имеют непосредственное отношение к процессу обогащения потому, что примеси значительно изменяют стандартные характеристики. Например, удельный вес пирита (золото дураков), представляющего собой обычную примесь и основной источник серы в угле, составляет от 4,9 до 5,2. Поскольку пирит гораздо плотнее угля, для его удаления используются методы разделения по плотности.

Роль в истории

О свойствах каменного угля люди знали ещё в далёком прошлом. Историки считают, что впервые в коммерческих целях его начали использовать в Китае. Есть свидетельства, что древняя шахта на северо-востоке страны предоставляла это топливо для выплавки меди и литья монет около I тысячелетия до нашей эры. Одна из самых ранних записей на территории Европы была сделана греческим учёным и философом Аристотелем, который упоминал уголь как камень.

Специфические шлаки, найденные среди римских руин в Англии, указывают на активное использование энергии угля до 400 г. до н. э. Хроники Средневековья предоставляют первые упоминания не только о разработке ископаемого карьерным способом, но и его транспортировке морским путём.

Однако широкая добыча началась во время промышленной революции XVIII—XIX вв. , когда спрос на уголь значительно вырос. Этому во многом способствовал усовершенствованный паровой двигатель Джеймса Уатта, запатентованный в 1769 году. Кроме того, в этот период многократно увеличилось изготовление чугуна и стали, требовавшихся для строительства железных дорог, станков и механизмов.

Уголь также использовался для производства фонарного газа. Этот тип освещения настолько распространился в крупных населённых пунктах, что появился термин «городской газ». Лидером по внедрению технологии оказался Лондон. Более широкому применению помешало наступление эры электричества, и с тех пор будущее полезного ископаемого стало тесно связано с выработкой электроэнергии. Первая действующая станция обеспечивала током бытовые светильники. Она была разработана Томасом Эдисоном и введена в эксплуатацию в 1882 г. в Нью-Йорке.

В 1960-х годах нефть обогнала уголь в качестве крупнейшего источника первичной энергии с огромным ростом в транспортном секторе. Несмотря на конкуренцию, он продолжает занимать важное положение в мировой структуре производства электроэнергии, обеспечивая более трети глобальной потребности. Большие объёмы коксующихся углей применяются в металлургической промышленности.

Запасы и основные месторождения

Запасы угля обнаруживаются в результате геологоразведочных работ. Процесс включает создание геологической карты местности, проведение геохимических и геофизических исследований с последующим разведочным бурением. Территория становится шахтой и горные работы начинаются только в том случае, если месторождение располагает довольно большими и качественными пластами, а их разработка станет рентабельной.

Согласно данным BP Statistical Review, мировое потребление угля в 2018 г. составило 3,732 млн тонн в нефтяном эквиваленте и последние 10 лет растёт на 0,8% ежегодно. К крупнейшим потребителям относятся:

• Китай — около 51% мировой добычи.
• Индия — 11%.
• США — 8,8%.
• ЕС — 6,3%.
• Япония — 3,2%.
• Россия — 2,5%.
• Южная Корея — 2,3%.

При этом более 80% объёма мировых доказанных запасов угля находятся на территории всего 10 государств. Расположены они преимущественно в северном полушарии. Список возглавляют США, имея 25% разведанных залежей. Россия находится на втором месте, а Китай — на третьем. Четвёртым рекордсменом считается Австралия, за которой следуют Индия, Германия, Украина и т. д.

Угольные месторождения называются бассейнами и являются важным национальным ресурсом, обеспечивающим государственную экономику во многих отраслях. Наиболее крупные из них (запасы в миллиардах тонн):

• Аппалачский (284) — расположен в США.
• Донецкий (141) — находится на территории Украины, ДНР, ЛНР и России.
• Тунгусский (2,299) — самый крупный в России и мире.
• Таймырский (217) — на севере Российской Федерации.
• Ленский (1,647) — Россия.
• Печорский (265) — Россия.
• Кузбасский (635) — Россия.
• Рурский (287) — находится на западе Германии.
• Иллинойский (365) — США.
• Канско-Ачинский (638) — расположен на территории РФ.

По приблизительным оценкам ископаемого топлива хватит примерно на 190 лет, однако эта цифра в будущем может измениться. Более совершенные и точные технологии геологоразведки помогают обнаружить новые залежи. Кроме того, не исключено появление методов добычи, позволяющих достигать недоступных ранее пластов.

Способы извлечения из недр

Выбор способа добычи зависит от геологических и природных условий, наличия инфраструктуры, экономических и социальных предпосылок. Основное внимание обращается на следующие факторы:

• количество, качество, толщину и угол наклона пластов, глубину их залегания;
• характер и толщину межпластовых осадочных пород;
• особенности поверхностного рельефа;
• доступность транспортных, энергетических сетей и предприятий переработки;
• экологические последствия;
• форма собственности на земельный участок и его текущее использование.

Все эти данные служат для определения рентабельности будущего предприятия, а также помогают сделать выбор между поверхностной и подземной добычей. Анализ мирового производства показывает, что по количественным показателям оба метода примерно равны, но зависят от сорта угля:

• антрациты составляют около 10% от мировой добычи и разрабатывается подземным способом;
• буроугольные пласты (25%) чаще всего извлекаются из карьеров;
• битумные угли (65%) добываются обоими методами примерно в равных пропорциях.

Открытый способ считается более дешёвым и менее опасным, но весьма вредным для окружающей среды. Его применяют в тех случаях, когда ископаемое залегает на глубине не более 100 м. Уголь извлекают из карьеров с помощью специальной техники: грейдеров, бульдозеров, экскаваторов и большегрузных самосвалов. Высота некоторых машин может сравниться с многоэтажным зданием.

Закрытым способом разрабатывают наиболее ценные марки угля и это оправдывает экономические издержки, связанные со строительством и эксплуатацией шахт. Например, самый ценный антрацит поднимают с глубины более 1,5 км. Эта технология заключается в бурении вертикального ствола, от которого отводятся горизонтальные и наклонные выработки, ведущие к продуктивным пластам. Шахтёрский труд всегда был очень опасным из-за обвалов, выбросов метана и тяжёлых условий, но в нынешнее время он всё больше автоматизируется и место людей занимают угледобывающие комбайны и другая техника.

Воздействие на окружающую среду

Хотя уголь вносит важный вклад в экономическое и социальное развитие во всём мире, его добыча и потребление наносит ощутимый вред окружающей среде. Например, карьерные разработки затрагивают большие площади земли, вызывают эрозию почв, распространение пыли, загрязнение воды, плохо сказываются на местном биоразнообразии.

Подземная добыча предполагает организацию отвалов, внутри которых долгие годы происходят вредные термические процессы и повышается радиационный фон. Шахты опасны возможными провалами грунта и изменением водного баланса местности.

Рекультивация разработок занимает много времени и требует финансовых затрат. Основная её цель состоит в восстановлении нарушенной продуктивной способности земель. Различные программы включают утилизацию отвалов, воспроизводство лесов, сельскохозяйственных угодий и рекреационных зон.

Серьёзную опасность представляют продукты сгорания угля. К ним относятся токсичные оксиды азота (NO и NO2), вызывающий кислотные дожди диоксид серы (SO2), а также углекислый газ (СО2), считающийся основным виновником парникового эффекта в атмосфере планеты. Кроме того, в воздух попадают золы и другие твёрдые частицы.

Несмотря на всеобщую озабоченность по поводу загрязнения воздуха в результате выбросов, в ближайшем будущем использование угля будет продолжаться. Поэтому правительства и учёные разных стран не перестают прилагать большие усилия для поиска более эффективных технологий использования этого ценного сырья.