Это твердые продукты изменения древних растительных остатков, используемые в промышленности в виде энергетического топлива, а также в качестве технологического и химического сырья. Но это определение приемлемо и для ископаемых углей, и для горючих сланцев. Поэтому условно принято различать их по зольности (остатки вещества после сгорания). Если зольность ниже 40—50 %, — это ископаемые угли, если выше — горючие сланцы.
По составу исходного вещества ископаемые угли подразделяются на:
- гумусовые (они преобладают и имеют наибольшее промышленное значение), в образовании которых принимают участие высшие растения;
- сапропелевые и гумусо-сапропелевые, исходным материалом которых являются в основном водоросли.
В составе углей содержится влага, органическая и минеральная масса. Органическая масса состоит из углерода (60—98%), водорода (1—12%), кислорода (2—20%), азота (1—3 %), в небольших дозах — серы и фосфора. Минеральная масса — это кремний, алюминий, железо и другие «неорганические» элементы. По степени насыщения угольной массы органическим материалом различают угли бурые, каменные и антрациты. И если уж учитывать сам процесс формирования угольных залежей, то и угли, и то, что было до них, и во что могут впоследствии превратиться угли — все это выстраивается в один ряд, где прослеживаются переходные и конечные Стадии. Все начинается с торфа или сапропеля, который постепенно под давлением и при отсутствии кислорода превращается в бурый уголь. Последний переходит в каменный уголь, а затем (в более редких случаях) в антрацит. В специфических геологических условиях (сильное давление, высокие температуры) уголь может превратиться в шунгит и графит.
Бурые угли — угли еще низкой степени углефикации, в сущности переходные формы от торфа к каменному углю, очень неплотные, даже рыхлые образования, бурого или черно-бурого цвета, содержащие наименьшее количество углерода (64—78 %), наименьшее — водорода (4,5—6 %), много влаги (30—40 %). Они имеют низкую теплотворную способность (27,2—31,4 МДж/кг) и выделяют много летучих веществ (иногда более 42 %). Это низкокачественные угли, поэтому используются они в основном как энергетическое сырье, а также применяются для пылевидного сжигания (бытовое топливо), их брикетируют, используют для газификации, производства углещелочных реагентов и монтанвоска (горного воска). В последнее время из бурого угля изготавливают стимуляторы роста растений и животных. В некоторых странах (в Германии) из них получают металлургический кокс (коксобрикеты). В перспективе бурый уголь будут использовать для производства жидкого топлива, энерготехнологического сырья, полукокса, термоугля.
Общие мировые ресурсы бурых углей (до глубины 600 м) составляют 4,9 трлн. т, мировые запасы подсчитанные — 1,3 трлн. т (СССР, Германия, Польша, ЧСФР, Австралия) В СССР общие геологические запасы и ресурсы бурых углей оцениваются в 2 трлн. т. Основные бассейны в СССР: Канско-Ачинский, Илийский, Подмосковный, Днепровский, Челябинский, Иркутский и др. Главные прогнозные ресурсы этих углей сосредоточены в двух бассейнах — Ленском (около 1 трлн. т) и Канско-Ачинском (0,5). Важнейшие буроугольные бассейны зарубежных стран: Латроб-Валли (Австралия), Форт-Юнион и часть Альберты (США), Нижнерейнский Тюрииго-Саксонский и Магдебургский (Германия), Миссисипский и Техасский (США), Марицкий (Болгария), Косовский (Югославия), Анатолийский (Турция), Нейвели (Индия), Алта-Амазона (Бразилия).
В 1986 г. мировая добыча бурого угля составила 1,2 млрд. т., из них около 0,34 млрд. т приходится на развитые капиталистические и развивающиеся страны.
Каменные угли — переходная форма от бурых углей к антрацитам; это очень плотные образования, имеют более высокую степень углефикации, в них больше углерода (76—92%), меньше водорода (2,5—5,7%), влаги (6—25%); они обладают большей теплотворной способностью (31,4—36,6 МДж/кг) и меньшим выходом летучих веществ (9—37 %). По технологическим свойствам эти угли подразделяют на 10 марок: длиннопламенные (Д), газовые (Г), газовые жирные (ГЖ), жирные (Ж), коксовые жирные (КЖ), коксовые (К), коксовые вторые (К2), слабоспекающиеся (СС), отощенные спекающиеся (ОС), тощие (Т). От марки Д к марке Т наблюдается последовательное увеличение углерода, уменьшение выхода летучих веществ от 42 до 7—12 %.
Из углей путем их переработки можно получить более 400 различных продуктов, стоимость которых, по сравнению со стоимостью самого угля, увеличивается в 20—25 раз (!), а побочные продукты, получаемые на коксохимических заводах, намного превосходят стоимость самого кокса. Сегодня в мире имеется около 400 коксохимических заводов, ежегодно перерабатывающих до 450 млн. т каменного угля в 350 млн. т кокса. Побочные продукты коксования — около 5 млн. т бензола и 15 млн. т каменноугольной смолы перерабатываются затем на углехимических установках в ароматические соединения и другие углепродукты. Мощность установок по переработке каменноугольной смолы в мире составляет 19 млн. т.
Очень перспективным является сжижение (гидрогенизация) угля с образованием жидкого топлива. Для производства 1 т нефти расходуется 5 т бурого угля или 2—3 т каменного угля. На КАТЭК (Канско-Ачинский топливно-энергетический комплекс) уже есть установка СТ-75, на которой в сутки вырабатывается 75 т нефти. Проводится также газификация угля.
Опытные установки для подземной газификации углей работают у нас в Канско-Ачинском и Кузнецком бассейнах, Ангреие.
Из каменных углей получают искусственный графит. Используются они в качестве неорганического сырья. При переработке каменных углей из них в промышленных масштабах уже извлекают ванадий, германий, серу, галлий, молибден, цинк, свинец. Зола от сжигания углей, отходы добычи и переработки используются в производстве стройматериалов, керамического, огнеупорного сырья, глинозема, абразивов, раскислителей.
Мировые геологические запасы (ресурсы) каменных углей составляют 9,4 трлн. т, а общие геологические запасы их в СССР — 4,6 трлн. т натурального топлива (или 3,9 трлн. ТУТ). Главные каменноугольные бассейны в СССР: Донецкий, Карагандинский, Южно-Якутский, Минусинский, Буреинский. Исключительно крупными потенциальными ресурсами каменных углей обладают Тунгусский, Ленский, Таймырский бассейны. Крупнейшими зарубежными каменноугольными бассейнами являются Аппалачский и Пенсильванский (США), Рурский (Германия), Верхнесилезский (Польша) и Остравско-Карвинский (продолжение Верхнесилезского в ЧСФР), Шаньси (КНР), Южно-Уэльский (Великобритания).
Антрациты — наиболее сильно метаморфизированные угли. По внешнему виду они очень отличаются от других углей: цвет серовато-черный и черно-серый с желтоватым оттенком и ярким металловидным блеском. В антрацитах больше всего углерода (94—97 %), мало водорода (1—3 %) и летучих веществ, поэтому они горят бездымным пламенем. В этих углях почти нет влаги. Образование антрацитов по большей части происходило в результате регионального метаморфизма всей толщи углесодержащих пород при погружении последних в область повышенных температур (в интервале 350—550 °С) и высоких давлений. Антрациты обладают наиболее высокой теплотворной способностью (34,7—36,6 МДж/кг). Антрациты (марки А) применяются в качестве высококачественного бездымного энергетического топлива, как технологическое сырье в черной и цветной металлургии, химической и электротехнической промышленностях. Используется антрацит и для производства термоантрацита, углеграфитовых блоков, электродов, электрокорунда, карбидов кальция и кремния, термографитов, микрофонного порошка, при агломерации железных руд и обжиге карбонатных пород.
Добыча каменных углей в 1986 г. в мире составила более 3,2 млрд. т, примерно поровну между социалистическими и развитыми капиталистическими и развивающимися странами.
Мировые ресурсы углей всех видов составляют около 15 трлн. т, почти половина их заключена в недрах Советского Союза (7 трлн. т). При анализе закономерностей размещения угольных месторождений по странам следует иметь в виду, что в отличие от других полезных ископаемых (включая нефть и газ) основные угольные месторождения размещены в промышленно развитых странах, на долю же развивающихся стран приходится более 5 % общих и до 2 % достоверных запасов.
В отдельных расчетах учитывается лишь сегодняшний уровень техники, когда экономически целесообразно извлечения угля из недр с глубин 600—800 м, но в ближайшее десятилетие экономически целесообразными глубинами шахтной добычи угля станут 1200—1800 м или даже 2000 м.
На Земле известно более 3600 угольных бассейнов и месторождений, которые в совокупности занимают 15 % земной суши, в том числе в СССР 30 бассейнов и более 450 самостоятельных месторождений. Геологи установили, что максимумы угленакопления на Земле пришлись на два этапа: позднепалеозойский (карбон и пермь) и позднемезозойский (юра, мел). Это связано с бурным развитием растительности, с одной стороны, и образованием тектонических впадин (куда сносился древесный материал) — тектонических ловушек в основном в предгорьях, зарождающихся горных стран, с другой стороны.
Подавляющее большинство угольных ресурсов приходится на Азию, Северную Америку и Европу и сконцентрировано в семи гигантских бассейнах, с запасами более 0,5 трлн. т в каждом.
Распределение угольных запасов по территории нашей страны неравномерно: 27 % разведанных запасов приходится на европейскую часть и 73 % на восточные районы. Четыре из семи известных в мире бассейно-гигантов находятся на территории нашей страны (Ленский — 2,7 трлн. т, Тунгусский — 1,8 трлн. т, Канско-Ачинский — 1,2 трлн. т, Кузнецкий — 0,6 трлн. т).
Мировая добыча угля в 1950 г. составляла немногим более 1,5 млрд. т, через 20 лет произошло ее удвоение, затем почти утроение (около 4,2 млрд. т, в 1986 г.). Таким образом, обще геологи чес кие запасы углей мира превышают уровень мировой добычи примерно в 3000—3500 раз. При этом надо помнить, что учтены еще не все угольные ресурсы. Однако годовая добыча растет и к 2020 г., по предположению экспертов, достигнет 13 млрд. т.
Добыча углей осуществляется двумя способами:
- открытым, наиболее прогрессивным и экономичным, когда можно более широко использовать технику. В этом случае производительность труда рабочего превышает производительность шахтера приблизительно в 10 раз, а себестоимость добычи угля меньше в 5 раз. В перспективе на ближайшие годы добыча угля будет расти в основном за счет всемерного развития этого способа;
- подземный способ добычи менее экономичный, сложный, более дорогостоящий; отметим, что и этот способ будет развиваться в перспективе, поскольку наиболее высококачественные каменные угли и антрациты находятся на большой глубине и их добыть можно только с помощью шахт. Сегодня открытым способом добываются главным образом энергетические угли, а в шахтах — металлургические.
На базе открытых разрезов создаются мощные топливно-энергетические комплексы, включающие добычу угля, производство электроэнергии и передачу ее на сверхдальние расстояния (например, формирующийся Экибастузский топливно-энергетический комплекс), и энерготехнологические комбинаты, где помимо добычи угля, производства электроэнергии, планируется производить синтетическое топливо, полукокс, химические продукты (таким намечается КАТЭК). Это означает качественно новый подход к освоению угольных ресурсов.
Флагманом в подземной добыче является Донбасс (запасы 96 млрд. т); его удельный вес в общесоюзной добыче составляет одну треть. В Донбассе действует около 270 шахт (полтора десятка шахт опустились на 1200 м; средняя глубина шахт 600 м). Выемка угля из пластов мощностью 0,45—1 м, причем на больших глубинах, в сложных горно-геологических условиях (смятость пород, разрывы и т. д.) требует больших затрат.
Важную роль в добыче углей шахтным способом играют также Печорский, Карагандинский и Кузнецкий бассейны. Первый из них расположен в приполярной части Предуральского краевого прогиба. Угли здесь обнаружены еще в прошлом веке, осваиваться бассейн начал с 1932 г. Однако наиболее интенсивно этот процесс шел в 1942 г., когда в годы Великой Отечественной войны Донбасс оказался на временно оккупированной фашистами территории. В пермских отложениях размещается 50 угольных пластов, отдельные из которых достигают мощности 28 м. Воркутинское, Интинское, Воргашорское и Хальмерюское месторождения разрабатываются 20 шахтами. Современная по своему оснащению шахта «Воргашорская» имеет мощность 4,5 млн. т в год.
Среди множества месторождений Казахстана выделяется Карагандинский бассейн, открытый еще в 1833 г. С 1854 г. началась кустарная разработка угольных залежей, а к планомерному изучению и освоению месторождения приступили лишь в 1930 г. В каменноугольных и юрских отложениях здесь установлено 65 рабочих пластов (мощностью более 0,6 м), толщина отдельных из них достигает 6—8 м. Функционирует около 30 шахт, среди которых имеются такие гиганты, как шахта «Тентекская» (мощность 4 млн. т в год).
В Кузбассе, наряду с открытыми разработками, дальнейшее развитие получает шахтный способ добычи. Прирост добычи будет обеспечиваться за счет ввода новых комплексно-механизированных и автоматизированных предприятий (например, шахты «Антоновская», «Ильинская», «Кайзакская» и др.).
С целью оптимального использования ископаемого угля производится его обогащение (удаление минеральных примесей). Сегодня в СССР действует 150 обогатительных фабрик, перерабатывающих энергетический и коксующийся уголь. Широко используется процесс сжигания водоугольной пульпы (70—75 % угля и 25—30 % влаги).
Угольная промышленность играет большую роль в мировом хозяйстве. Уголь добывается в 60 странах мира, из которых в десяти угольная промышленность является ведущей отраслью международной специализации.
Уголь потребляется преимущественно в тех же странах, где ведется его добыча. На мировой рынок поступает одна десятая часть добываемого угля. Международная торговля осуществляется в основном морскими путями. Цены на уголь на капиталистическом рынке в 1986 г. составляли 50—70 дол. за 1 т коксующегося угля и 43—56 дол. за 1 т энергетического.
Источник: В.Д. Войлошников, Н.А. Войлошникова. Книга о полезных ископаемых. Издательство «Недра». Москва. 1991