Лекция 1

Таблица 1

Схема донецкой (марочной) классификации углей [10]

Стадия углефикации	Влага лаборатор­ная, %	На беззольное и безводное вещество, %	Теплота сгоания, МДж/кг	Спекаемость, мм
Выход летучих веществ	Содержание
Углерода	Водорода	Кислорода
Буроугольная, Б	10–25	39–67	58–67	4,5–5,9	20–29	< 23,9
Длиннопламенная, Д	4–10	35–46	76–80	4,9–5,6	15,7	32,2–33,5	0–14
Газовая, Г	1,3–2,5		80,0–84,5	5,4–5,8	Последо­вательное уменьшение до 0,2–1,5	33,0–35,7	0–30
Жирная, Ж	0,4–1,7	25–40	84–89	4,9–5,7		35,5–35,9	9–40
Коксовая, К	0,3–0,9	18–28	88,5–90,5	4,5–5,0		35,7–36,6	5–32
Отощенно-спекающаяся, ОС	0,5–0,8	14–19	90–91,7	4,5–4,9		36,4–36,8	–
Тощая, Т		7–14	90,7–92,7	3,7–4,3		35,7–36,4	0-25
Полуантрацитовая, ПА	0,7–0,8	5–6	92,2–92,5	3,3–3,5		35,7–35,9
Антрацитовая, А	0,9–3,2	1–2	95,1–97,5	0,8–1,9		33,5–34,5

Лекция 4. ГЕОЛОГИЯ УГОЛЬНЫХ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Строение и состав угленосных толщ. Под угленосной толщей понимается комплекс осадочных пород, содержащих угольные пласты. Типы угленосных толщ выделяются по многим признакам: вещественному составу, условиям образования, геоморфологическому, стратиграфическому, и в соответствии с этим толщам даются названия: морская, континентальная, озерно-болотная, паралическая, глинистая, песчаная и т. д. Образование угленосных отложений происходит по общему для всех осадочных формаций принципу чередования нисходящих и восходящих движений на общем фоне погружения площади. Многократно сменяющиеся обстановки осадко- и накопления углеобразующей растительности обусловили изменчивость строения угленосных толщ, состав пород, количество, мощность и строение угольных пластов.

Обычно угленосная толща представлена чередованием песчаных, песчано-глинистых и глинистых пород. Реже встречаются известняки, мергели, конгломераты и вулканогенные породы. Песчаники составляют основную часть разреза угленосных толщ. В ряде бассейнов наблюдаются тонштейны, залегающие в виде небольших прослоев. Эти глинистые образования содержат вулканогенный пепел, имеют широкое распространение по площади, занимают четкое стратиграфическое положение и поэтому являются хорошими маркерами.

Коэффициент угленосности. Угли в разрезе угленосной толщи занимают обычно около 1 % ее мощности. Насыщенность угленосной толщи определяется коэффициентом угленосности, который представляет собой выраженное в процентах отношение суммарной мощности всех пластов угля к общей мощности угленосной толщи. Коэффициент угленосности рассчитывается по каждой конкретной скважине. В разных бассейнах этот коэффициент имеет разную величину (%): в Донецком 0,4–0,6, Кузнецком 1,6–1,8, Экибастузском около 25, в Канско-Ачинском доходит до 45. Углеплотность – величина запасов угля на 1 км² горизонтальной поверхности месторождения.

Угольный пласт. Угольным пластом называется геологическое тело, сложенное углем и неорганическими включениями, ограниченное более или менее параллельными друг другу поверхностями напластования.

Строение угольного пласта. Угольные пласты обычно бывают сложены из нескольких пачек угля, разделенных углистыми слоями пород, называемых прослойками пустой породы. Строение угольных пластов меняется от простого (без прослоев пустой породы), умеренно сложного (с одним или несколькими породными прослоями) до очень сложного (переслаивание в разрезе многочисленных угольных и породных прослоев и слоев). Одной из характерных форм угольной залежи являются мощные угольные пласты, расщепляющиеся в определенном направлении на серию относительно тонких пластов до полного их исчезновения – выклинивания.

Мощность угольного пласта. По мощности угольные пласты разделяются на весьма тонкие (до 0,5 м), тонкие (0,5–1,3 м), средней мощности (1,3–3,5 м), мощные (3,5–15 м) и весьма мощные (более 15 м). В пластах сложного строения выделяют мощность трех видов: 1) общую; 2) полезную; 3) рабочую. Общая мощность – это мощность пласта от почвы нижней пачки угля до кровли верхней пачки угля со всеми породными прослоями. Полезная мощность – это суммарная мощность пачек угля, составляющих пласт, т. е. суммарная мощность угольной массы в пласте. Рабочий пласт – это часть разреза пласта (или весь пласт простого строения), подлежащая выемке. Бурые угли разрабатываются при мощности пласта более 2 м, а каменные – 0,5–0,7 м и более. На земном шаре в угольных бассейнах развиты пласты различной рабочей мощности – от 0,5–1 до 200 м. Выявлены два пласта сверхгиганта: 420-метровый на месторождении Хет Крик в Канаде и 300-метровый на месторождении Латроб-Велли в Австралии.

Сопутствующие полезные ископаемые угленосных толщ. В угленосной толще и в углях содержится комплекс сопутствующих полезных ископаемых, промышленная ценность которых в ряде случаев не уступает ценности заключенных в этой толще углей. По стратиграфическому положению, характеру распространенности и ценности полезных ископаемых выделяют три зоны: 1) доугленосную с корами выветривания (огнеупоры, бокситы, каолины и др.); 2) угленосную, в которой присутствуют уран, рений, германий и другие элементы; 3) надугленосную – с относительно бедным комплексом полезных ископаемых в виде песков, гравийного материала, легкоплавких глин и других строительных материалов.

В собственно угольных пластах особый интерес представляют малые элементы. Наибольшее практическое значение, кроме урана, имеют германий и галлий.

Германий – по существу единственный элемент, для которого угли являются основным источником его получения. Содержание германия в углях колеблется от 1 г до 2 кг на 1 т сухого топлива. В большинстве случаев германий в повышенных концентрациях сосредоточен в нижней и верхней частях пласта, а в пределах месторождений – в периферийных их частях. При прочих равных условиях наибольшее количество германия наблюдается в углях более низких стадий метаморфизма.

Галлий в углях находится в различных формах и связан как с ОВ, так и с минеральной частью угля. Главным носителем галлия являются глины. Основное накопление галлия связано с привносом его в торфяники. Концентрации галлия не коррелируются ни с геологическим возрастом углей, ни со степенью их метаморфизма.

Угленосные бассейны, месторождения, районы, провинции. В геологии угля основной таксономической единицей является понятие «месторождение». Под угольным месторождением понимается естественное скопление угленосных отложений с пластами угля, занимающих определенное стратиграфическое положение в осадочной толще земной коры и разработка которых в настоящее время экономически рентабельна.

Угленосный бассейн – это обширная площадь сплошного, часто непрерывного развития угленосных отложений с подчиненными им пластами угля, связанных единством процессов образования и последующих изменений.

Угленосный район – это совокупность угольных месторождений, обычно разобщенных в результате интенсивного проявления тектонических или эрозионных процессов и приуроченных к какому-либо административному району.

Угленосные провинции – обширные сплошные или прерывистые площади, попадающие в одну и ту же возрастную фазу благодаря основным сходствам геологических условий образования угленосной толщи. По масштабу распространения и положению на земном шаре провинции разделяются на три ранга: 1) мегапровинции; 2) мезопровинции; 3) локальные провинции. Мегапровинция включает разобщенные в настоящее время гондванские угленосные площади Бразилии, юга Африки, Индии, Австралии и Антарктиды, характеризующиеся аналогией стратиграфического положения угленосной толщи, ее вещественного состава и условий образования. К такому же рангу относится позднекайнозойская Тихоокеанская угленосная провинция Тихоокеанского подвижного пояса, располагающаяся по восточному и западному побережьям океана вдоль американского и евроазиатского континентов и на южных островах последнего.

Классификация угленосных бассейнов. Первая классификация угленосных бассейнов была разработана более 100 лет тому назад и основывалась на признаках фациального состава угленосных толщ. В соответствии с этой классификацией выделялись бассейны двух типов: паралический (прибрежный) и лимнический (озерный).

Широкое признание и практическое применение получила классификация угольных бассейнов, разработанная Г. А. Ивановым еще в 1930-е гг. Согласно этой классификации по характеру тектонических движений бассейны разделены на три типа: геосинклинальный, переходный и платформенный.

Бассейны геосинклинального типа характеризуются большой мощностью угленосных отложений (до 10–15 км), частым переслаиванием пород различного состава, значительным числом пластов каменного угля (до 100–150 и более), выдержанностью их по латерали, а также отчетливо выраженной линейной складчатостью и интенсивным проявлением разломной тектоники. В таких бассейнах обычно наблюдается зональность метаморфизма углей по вертикали (правило Хильта – Скока) и по площади.

Бассейны платформенного типа. Мощность угленосной толщи невелика – редко до первых сотен метров. Фациальный состав угленосной толщи почти исключительно наземно-континентальный. Образование углей происходит в озерно-болотных условиях. В разрезе угленосной толщи характерно преобладание песчаных пород над глинистыми. Пласты угля не выдержаны по мощности: они выклиниваются и расщепляются на коротких расстояниях. Химический состав их также непостоянен, особенно по содержанию золы. Залегание угленосных отложений горизонтальное или слабонаклонное.

Бассейны переходного типа. Они как бы совмещают в себе черты двух вышеуказанных типов. В таких бассейнах наблюдаются промежуточные значения мощности угленосной толщи и пластов угля, а также их количество и степень выдержанности по сравнению с бассейнами геосинклинального и платформенного типов. Нередко отмечается смена типов углеобразования: формирование углей некоторых бассейнов иногда начиналось в одних условиях, а затем в связи с изменившейся палеогеографической обстановкой заканчивалось в других. К этому типу относится большинство пермских, мезозойский и кайнозойских бассейнов.

Предлагавшиеся позже советскими геологами классификации угольных бассейнов (Ю. А. Жемчужников, П. В. Васильев, Г. Ф. Крашенинников, А. К. Матвеев и др.) строились, как правило, также на тектонической основе, но в большинстве случаев количество типов бассейнов сводилось к увеличению их числа (до 16 и более).

Газы угольных месторождений. Современный газ в угленосных толщах состоит как из газа, оставшегося частично от торфяной стадии, так и из газа, образовавшегося в условиях погружения пластов углей и перекрытия их надугольной осадочной толщей. В составе газов угольных месторождений присутствуют метан, углекислый газ, азот, водород, тяжелые углеводороды и др.

Метан. Он является основным среди газов угольных месторождений (от 60 до 98 %). Образуется главным образом при биохимических процессах разложения растительного вещества. Из 1 т растительных остатков, содержащих целлюлозу, выделяется до 230–465 м³ метана. Основное и наиболее опасное его свойство – образование с воздухом при соответствующих соотношениях взрывчатой смеси. Смесь с содержанием метана 0–5 % сгорает без взрыва, при содержании его от 5–6 до 14–16 % смесь, соприкасаясь с пламенем, дает взрыв. Наибольшая сила взрыва наблюдается при 9,3 % метана в рудничном воздухе.

Углекислый газ. Содержание его в газах угольных месторождений достигает иногда 25 %. Образуется в результате превращения растительного вещества при углеобразовании. Несмотря на его большую растворимость в воде, все же при определенных геологических условиях углекислый газ мог сохраниться и накопиться в значительных объемах в угленосных толщах. Кроме того, он частично обязан своим генезисом процессам сорбции атмосферного кислорода с окислением углерода до углекислого газа, а также привносу его циркулирующими водами из верхних горизонтов биосферы. Поступление этого газа в угленосную толщу в определенных бассейнах (Донецкий, Кузнецкий и др.) может быть связано с магматическими процессами.

Азот. В угольных месторождениях он имеет в основном воздушное происхождение за счет привноса его в растворенном состоянии подземными водами. Частично азот мог образоваться в результате биохимических процессов. Показателем происхождения азота может служить отношение аргона к азоту в газе из углей к такому же отношению их в воздухе. Азот не имеет цвета, запаха и вкуса, инертен, не поддерживает горение. Он ослабляет взрывчатость метана.

Присутствие газа в угленосных толщах значительно осложняет подземную разработку месторождений. Несоблюдение техники безопасности горных работ приводит к серьезным авариям. Так, за последние 5–10 лет произошли крупные аварии на шахтах Донбасса и Кузбасса, приведшие к гибели людей.

Основные закономерности распространения углей на Земле. Распространение углей на земном шаре подчинено закономерностям его геологического развития и может быть отражено как в количественном выражении, так и в геолого-географическом плане. Основанные на сочетании этих двух критериев закономерности распространения углей впервые были установлены П. И. Степановым, выделившим в 1939 г. площади преобладающего в каждом геологическом периоде угленакопления, а для карбона – протягивающийся через Евразию и Северную Америку в широтном направлении так называемый «карбоновый пояс». В 1960 г. Н. М. Страхов установил распространение на земном шаре благоприятных для углеобразования гумидных зон.

Угли, как бурые, так и каменные, развиты во всех геологических системах, начиная с девона, и на всех континентах. Они занимают большую площадь, особенно в странах на долю которых приходится более 75 % его запасов: в России, США и Китае. В распределении этих запасов по бассейнам наблюдается резкая диспропорция. Выделяется семь бассейнов-гигантов с запасами более 500 млрд т. Это – Тунгусский, Ленский, Таймырский, Канско-Ачинский, Кузнецкий, Алта-Амазона и Аппалачский. Далее следуют четыре бассейна с запасами угля 200–500 млрд т (Донецкий, Печорский, Нижнерейнско-Вестфальский и Иллинойс). Преобладающее большинство бассейнов и самостоятельных месторождений обладает запасами менее 0,5 млн т.

Стратиграфические закономерности. Впервые стратиграфические закономерности распределения углей в осадочной оболочке Земли были установлены П. И. Степановым. Он выделил три максимума углеобразования: поздний карбон–пермь (1), юра (II), поздний мел–неоген (III) и три минимума, совпадающие с ранним карбоном (I), триасом (II) и поздним мелом (III). Полученные во второй половине ХХ в. новые данные свидетельствуют о том, что стратиграфическое распределение углей в осадочной оболочке несколько иное, чем представлялось, в частности, П. И. Степанову. Так, по новым данным, выделяются три максимума углеобразования: пермь (26,8 % мировых ресурсов угля), карбон (20,5 %) и мел (20,5 %).

Тектонические закономерности. Сопоставление размещений угольных бассейнов с положением основных геотектонических элементов земного шара указывает на ведущее влияние структурно-тектонического фактора не только на пространственное положение бассейнов, но и на сложность их геологического строения. Палеозойские угленосные бассейны, по Г. Ф. Крашенинникову, в тектоническом отношении принадлежат главным образом к краевым и внутренним прогибам геосинклинальных областей. В них обычно развиты толщи паралического характера. Типичные примеры – Донецкий и Печорский бассейны. Нижне- и среднемезозойские угленосные бассейны, как правило, приурочены к межгорным тектоническим впадинам (восточный склон Урала, месторождения Киргизии и др.). Формы залегания углей – линзовидные, сложно построенные залежи, достигающие значительной мощности. В кайнозое, за исключением альпийской зоны складчатости, углеобразование происходило в платформенных условиях.

Ресурсы, запасы, добыча

Ресурсы. Мировые прогнозные ресурсы угля до настоящего времени полностью не учтены, а оценки их весьма противоречивы. По оценке ГНПП «Аэрогеология» (1998), ресурсы угля в мире составляют около 32,5 трлн т. На суше прогнозные ресурсы достигают 24,5 трлн т (в том числе бурых углей – 8,44 трлн т). Наиболее крупными прогнозными ресурсами угля обладают следующие страны (трлн т, в скобках бурый уголь): Китай – 6,5 (1,44), Россия – 4,45 (1,32), США – 3,6 (2,31), Австралия – 1,5, Канада – 0,58, Великобритания – 0,38.

Запасы. Запасы подтвержденные (промышленные) углей всех типов (УВТ) в мире составляют 1 747,2 млрд т, в том числе углей каменных (УК) – 1353,4 млрд т, углей бурых (УБ) – 393,8 млрд т. Крупнейшими запасами углей обладают следующие страны (млрд т): США УВТ – 444,8, УК – 403,9, УБ – 40,9; Китай УВТ 296,0, УК – 257,5, УБ – 38,5; Россия УВТ – 200,6, УК – 97,5, УБ – 103,1; ЮАР УВТ – 115,5, УК – 115,5; Австралия УТВ – 114,0, УК – 68,0, УБ – 46,0; Германия УВТ – 105,5, УК – 44,0, УБ – 61,5; Канада УВТ – 77,3, УК – 71,0, УБ – 6,3; Великобритания УВТ – 45,4, УК – 45, УБ – 0,4.

Добыча. Мировая добыча углей всех типов в 1993 – 2000 гг. составляла 4,5–4,9 млрд т, в том числе бурых углей – 0,9–1,0 млрд т. Странами-лидерами по добыче углей являются Китай и США. В 1996 г. добыча (в млрд т) составила в Китае УВТ – 1,35, в том числе УК – 1,30, УБ – 0,05; в США – УВТ – 1,04, УК – 0,96, УБ – 0,08. В Индии, Австралии, России, Германии, ЮАР и Польше добыча углей всех типов составляет в пределах 200–300 млн т.

В Китае одним из приоритетных проектов является освоение месторождений Шеньфу-Доншен (провинция Шаньси). Планируется строительство новых шахт в восточных и центральных районах Китая (провинции Шаньдун и Аньхой). В США в 1995–2000 гг. добыча угля производилась на 1018 углеразрезах и 885 подземных шахтах в 26 штатах. Наиболее значительная добыча осуществлялась в штатах Вайоминг (около 250 млн т), Западная Виргиния (155 млн т) и Кентукки (135–140 млн т).

Дата добавления: 2013-12-12