Каменный уголь - осадочная порода, которая образуется в земном пласте. Уголь - превосходное топливо. Считается, что это самый древний вид топлива, который использовали наши далекие предки.
Как образуется каменный уголь
Для образования угля необходимо огромное количество растительной массы. И лучше, если растения накапливаются в одном месте и не успевают разлагаться полностью. Идеальное место для этого - болота. Вода в них бедна кислородом, что препятствует жизнедеятельности бактерий.
В болотах накапливается растительная масса. Не успевая полностью сгнить, она спрессовывается следующими отложениями почвы. Так получается торф - исходный материал для угля. Следующие пласты почвы как бы запечатывают торф в земле. В результате он полностью лишается доступа кислорода и воды и превращается в угольный пласт. Процесс этот длительный. Так, большая часть современных запасов каменного угля образовались в эпоху палеозоя, т. е. более 300 млн. лет назад.
Характеристики и виды каменного угля
(Бурый уголь )
Химический состав угля зависит от его возраста.
Самый молодой вид - бурый уголь. Он залегает на глубине порядка 1 км. Воды в нем еще много - около 43%. Содержит большое количество летучих веществ. Хорошо воспламеняется и горит, но тепла дает мало.
Каменный уголь - этакий "середнячок" в этой классификации. Залегает он на глубинах до 3 км. Так как давление верхних пластов больше, то и содержание воды в каменном угле меньше - около 12%, летучих веществ - до 32%, зато углерода содержится от 75% до 95%. Он также легко воспламеняется, но горит лучше. А за счет малого количества влаги дает больше тепла.
Антрацит - более древняя порода. Залегает на глубинах порядка 5 км. В нем больше углерода и практически нет влаги. Антрацит - твердое топливо, плохо воспламеняется, зато удельная теплота сгорания самая высокая - до 7400 ккал/кг.
(Уголь антрацит )
Впрочем, антрацит - это не конечная стадия преобразования органического вещества. Попадая в более жесткие условия, уголь трансформируется в шунтит. При более высоких температурах получается графит. А испытывая сверхвысокое давление, уголь превращается в алмаз. Все эти вещества - от растения до алмаза - состоят из углерода, только молекулярная структура разная.
Помимо основных "ингредиентов" в состав угля часто входят различные "породы". Это примеси, которые не сгорают, а образуют шлак. Содержится в угле и сера, причем ее содержание обуславливается местом образования угля. При сгорании она взаимодействует с кислородом и образует серную кислоту. Чем меньше примеси в составе угля, тем выше ценится его сорт.
Месторождение каменного угля
Место залегания каменного угля называют угольным бассейном. В мире известно свыше 3,6 тысяч угольных бассейнов. Их площадь занимает около 15% территории земной суши. Самый большой процент залежей мирового запаса угля в США - 23%.На втором месте - Россия, 13%. Замыкает тройку стран-лидеров Китай - 11%. Самые крупные залежи угля в мире находятся в США. Это Аппалачский каменноугольный бассейн, чьи запасы превышают отметку в 1600 млрд. тонн.
В России самый большой угольной бассейн - Кузнецкий, что в Кемеровской области. Запасы Кузбасса составляют 640 млрд. тонн.
Перспективна разработка месторождений в Якутии (Эльгинское) и в Тыве (Элегестское).
Добыча каменного угля
В зависимости от глубины залегания угля применяют либо закрытый способ добычи, либо открытый.
Закрытый, или подземный метод добычи. Для этого метода строят шахтные стволы и штольни. Шахтные стволы строят, если глубина залегания угля 45 метров и выше. От нее ведут горизонтальный тоннель - штольню.
Существуют 2 системы закрытой добычи: камерно-столбовая и добыча длинными очистными забоями. Первая система менее экономична. Ее используют лишь в тех случаях, когда обнаруженные пласты мощные. Вторая система гораздо безопаснее и практичнее. Она позволяет извлекать до 80% породы и равномерно доставлять уголь на поверхность.
Открытый метод применяют, когда уголь залегает неглубоко. Для начала проводят анализ твердости почвы, выясняют степень выветриваемости почвы и слоистость покрывающего слоя. Если грунт над пластами угля мягкий, достаточно использования бульдозеров и скреперов. Если верхний пласт толстый, то пригоняют экскаваторы и драглайны. Пролегающий над углем мощный слой твердой породы взрывают.
Применение каменного угля
Область использования каменного угля просто огромна.
Из угля добывают серу, ванадий, германий, цинк, свинец.
Сам уголь - превосходное топливо.
Используется в металлургии для выплавки железа, при производстве чугуна, стали.
Полученную после сжигания угля золу используют в производстве строительных материалов.
Из угля после его специальной обработки получают бензол и ксилол, которые используют в производстве лаков, красок, растворителей, линолеума.
Путем сжижения угля получают первоклассное жидкое топливо.
Уголь - сырье для получения графита. А также нафталина и еще ряда ароматических соединений.
В результате химической обработки каменного угля на сегодняшний день получают свыше 400 видов промышленных продуктов.
Добыча угля как индустриальная отрасль получила широкое распространение в начале ХХ века и по сей день продолжает относиться к одним из самых прибыльных видов добычи залежей полезных ископаемых. Уголь добывают в промышленных масштабах по всему миру.
Вопреки общепринятому мнению, данное ископаемое используется не только в виде качественного топлива. В середине ХХ века угольная промышленность дала мощный толчок к развитию научных исследований по выделению углеводородов из полезных ископаемых.
Где ведется добыча
Самые крупные страны, добывающие каменный уголь – КНР, США, Индия. занимает 6 место в мировом рейтинге по его добыче, хотя по запасам входит в тройку лидеров.
В России добывают бурый, уголь, каменный уголь (в т.ч коксующийся) и антрацит. Основные угледобывающие районы в России – это Кемеровская область, Красноярский край, Иркутская область, Чита, Бурятия, республика Коми. Есть уголь на Урале, Дальнем Востоке, на Камчатке, в Якутии, Тульской и Калужской областях. В России 16 угольных бассейнов. Один из самых крупных – , там добывается больше половины каменных углей России.
Как добывают каменный уголь
В зависимости от глубины залегания угольного пласта, его площади, формы, толщины, различных географических и экологических факторов выбирается определенный метод добычи угля. К основным таким способам относятся следующие:
- шахтный;
- разработки в угольном карьере;
- гидравлический.
Кроме того, существует добыча угля открытым способом, при условии что угольный пласт залегает на глубине не более ста метров. Но данный способ по форме очень схож с карьерными угольными разработками.
Шахтный способ
Этот метод применяется при с больших глубин и имеет неоспоримое преимущество перед открытыми методами углевыработки: уголь на большой глубине более качественный и практически не содержит примесей.
Для доступа к угольным пластам бурят горизонтальные или вертикальные туннели (штольни и шахты). Известны случаи угольных разработок на глубине до 1500 метров (шахты «Гвардейская», «Шахтерская-Глубокая»).
Подземную добычу угля относят к одной из самых сложных специализаций ввиду ряда опасностей:
- Постоянная угроза прорыва подземных вод в шахтный ствол.
- Постоянная угроза прорыва сопутствующих газов в шахтный ствол. Кроме возможного удушья, особая опасность – взрывы и пожары.
- Несчастные случаи в связи с высокой температурой на больших глубинах (до 60 градусов), неосторожным обращением с оборудованием и т.д.
Данным способом из земных недр извлекают примерно 36 % мировых запасов угля, что составляет 2625,7 млн т.
Открытый способ
Разработки по в угольном карьере относятся по своей классификации к открытому способу добычи угля, поскольку не требуют бурения шахт и штолен на большую глубину.
Этот способ добычи заключается в подрыве и удалении вскрыши (пласта лишних пород над угольными залежами) с места разработок. После этого при помощи экскаваторов, водяных пушек, бульдозеров, дробилок, драглайнов и конвейеров происходит дробление породы и передача её дальше.
Данный способ добычи угля считается менее безопасным, чем закрытый (шахтный). Но и он имеет определенные факторы риска, связанные с неосторожным обращением с оборудованием и крупногабаритным транспортом, возможностью отравления выхлопными газами и сопровождающими машинную деятельность веществами.
Существенным минусом данного способа считается нанесение большого вредя окружающей среде вследствие снятия большой площади земельного слоя и сопутствующих ему природных элементов.
Открытый способ считается одним из самых распространенных в мире – с его помощью добывается более 55% угля в год, что составляет 4102,1 млн т.
Впервые его начали применять в Советском союзе в 30-х годах ХХ века. Он предполагает добычу угля в глубоких шахтах, при этом транспортировка на поверхность угольной породы происходит с помощью водных струй под напряжением. Данный способ позволил использовать недостаток подземной добычи угля – подземные воды – себе во благо.
В последнее время гидравлическую добычу угля считают одним из самых респектабельных способов. Она способна заменить трудоемкий и опасный процесс добычи угля шахтерами, вместо которых разрушительной и подъемной силой будет выступать вода.
К минусам данного способа добычи угля относят следующие:
- постоянный контакт рабочих инструментов и механизмов с водой и горной породой;
- определенные трудности при замене или починке рабочего оборудования;
- зависимость процесса добычи угля от толщины, угла наклона и твердости горной породы.
Данным способом ежегодно добывается примерно 7,5 % угля, что составляет 545,5 млн т.
Угледобывающая отрасль является крупнейшим сегментом топливной промышленности. Во всём мире она превосходит любую другую по численности рабочих и количеству оборудования.
Что такое угольная промышленность
Угледобывающая отрасль подразумевает добычу угля и его последующую переработку. Работы ведутся как на поверхности, так и под землёй.
Если залежи находятся на глубине не более 100 метров, работы осуществляются карьерным способом. Для разработки месторождения на большой глубине используются шахты.
Классические способы добычи угля
Работа на угольных разрезах и под землёй - главные способы добычи ископаемого. Большая часть работ в России и в мире ведётся открытым способом. Это обусловлено финансовой выгодой и высокой скоростью добычи.
Процесс заключается в следующем:
- При помощи специального оборудования снимается верхний пласт земли, покрывающий месторождение. Несколько лет назад глубина открытых работ была ограничена 30 метрами, новейшие технологии позволили увеличить её в 3 раза. Если верхний слой мягкий и небольшой, его снимают с помощью экскаватора. Толстый и плотный слой земли предварительно дробится.
- Угольные залежи отбивают и увозят при помощи спецтехники на предприятие для дальнейшей переработки.
- Рабочими восстанавливается естественный рельеф во избежание нанесения вреда окружающей среде.
Недостаток данного способа заключается в том, что залежи угля, находящиеся на небольшой глубине, содержат примеси грязи и других пород.
Более чистым и качественным считается уголь, добытый подземным способом.
Главной задачей этого метода является транспортировка угля с больших глубин на поверхность. Для этого создаются проходы: штольня (горизонтальный) и шахта (наклонный либо вертикальный).
В тоннелях специальными комбайнами рубятся пласты угля и грузятся на конвейер, поднимающий их на поверхность.
Подземный способ позволяет добыть большое количество ископаемого, но он имеет существенные недостатки: высокая стоимость и повышенная опасность для рабочих.
Нетрадиционные способы добывания угля
Данные способы эффективны, но не имеют массового распространения - на данный момент отсутствуют технологии, позволяющие чётко наладить процесс:
- Гидравлический. Добыча ведётся в шахте на большой глубине. Угольный пласт крошится и доставляется на поверхность под сильным напором воды.
- Энергия сжатого воздуха. Она выступает как разрушительной, так и подъёмной силой, сжатый воздух находится под сильным давлением.
- Виброимпульсный. Пласты разрушаются под воздействием мощных колебаний, образованных оборудованием.
Данные методы применялись ещё в Советском Союзе, но не стали популярными из-за необходимости крупных финансовых вложений. Лишь несколько угледобывающих компаний продолжают использовать нетрадиционные способы.
Главное их преимущество - отсутствие рабочих на потенциально опасных для жизни участках.
Страны-лидеры по добыче угля
По статистическим данным мировой энергетики составлен рейтинг стран, занимающих лидирующие позиции по добыче угля в мире:
- Индия.
- Австралия.
- Индонезия.
- Россия.
- Германия.
- Польша.
- Казахстан.
Уже много лет Китай лидирует по объёмам угледобычи. В КНР разрабатывается только 1/7 часть имеющихся месторождений, это обусловлено тем, что уголь не вывозится за пределы страны, а имеющихся запасов хватит как минимум на 70 лет.
На территории США месторождения равномерно разбросаны по стране. Своими запасами они обеспечат страну не менее чем на 300 лет.
Месторождения угля в Индии весьма богаты, но почти весь объём добытого используется в энергетической промышленности, т. к. имеющиеся запасы имеют очень низкое качество. Несмотря на то что Индия занимает одну из ведущих позиций, в этой стране прогрессируют кустарные способы добывания угля.
Запасов угля в Австралии хватит примерно на 240 лет. Добытый уголь имеет наивысшую оценку качества, значительная его часть предназначена для экспорта.
В Индонезии уровень добычи угля растёт с каждым годом. Ещё несколько лет назад большая часть добытого экспортировалась в другие страны, сейчас страна постепенно отказывается от использования нефти, в связи с чем растёт спрос на уголь для внутреннего потребления.
Россия обладает 1/3 мировых запасов угля, при этом изведаны ещё не все земли страны.
Германия, Польша и Казахстан постепенно снижают объёмы угледобычи из-за неконкурентной стоимости сырья. Большая часть угля предназначена для внутреннего потребления.
Основные места добычи угля в России
Давайте разбираться. Добыча угля в России осуществляется в основном открытым способом. Месторождения по стране разбросаны неравномерно - основная их часть находится в восточной области.
Самыми значимыми месторождениями угля в России являются:
- Кузнецкое (Кузбасс). Считается самым крупным не только в России, но и во всём мире, находится в Западной Сибири. Здесь ведётся добыча коксующегося и каменного угля.
- Канско-Ачинское. Здесь осуществляется добыча Месторождение располагается вдоль Транссибирской магистрали, занимая часть территорий Иркутской и Кемеровской области, Красноярского края.
- Тунгусский угольный бассейн. Представлен бурым и каменным видами угля. Он охватывает часть территории Республики Саха, и Красноярского края.
- Печорский угольный бассейн. На этом месторождении осуществляется добыча Работы ведутся в шахтах, что позволяет добывать высококачественный уголь. Располагается на территориях Республики Коми и Ямало-Ненецкого автономного округа.
- Иркутско-Черемховский угольный бассейн. Находится на территории Верхнего Саяна. Обеспечивает углём только близлежащие предприятия и населённые пункты.
На сегодняшний день ведутся разработки ещё 5 месторождений, способных увеличить ежегодный объём добычи угля в России на 70 млн тонн.
Перспективы угледобывающей промышленности
В мире уже разведана большая часть месторождений угля, с экономической точки зрения, самые перспективные принадлежат 70 странам. Уровень добычи угля стремительно растёт: совершенствуются технологии, модернизируется оборудование. За счёт этого повышается рентабельность отрасли.
В России в Сибирском Федеральном округе добывают более 80% угля от всего объема по стране. Последние годы производство угля растет. Лидером отрасли является компания ОАО «СУЭК».
Самой крупной отраслью (по численности рабочих и стоимости производственных основных фондов) топливной промышленности является добыча угля в России. Угольная промышленность добывает, перерабатывает (обогащает) каменный, бурый уголь и антрациты.
Как и сколько угля производят в Российской Федерации
Это полезное ископаемое добывается в зависимости от глубины нахождения: открытым (в разрезах) и подземным (в шахтах) способами. За период с 2000 года по 2015 год производство подземным способом выросло с 90,9 до 103,7 миллионов тонн, а открытым - увеличилось более, чем на 100 миллионов тонн с 167,5 до 269,7 миллионов тонн. Количество ископаемого, добытого в стране за этот период с разбивкой по способам производства см. на рис. 1.
По информации Топливно-энергетического комплекса (ТЭК) в Российской Федерации в 2016 году было добыто 385 миллионов тонн черного ископаемого, что на 3,2% выше предыдущего года. Это позволяет сделать вывод о положительной динамике роста отрасли в последние годы и о перспективности, несмотря на кризис .
Виды этого ископаемого, добываемые в нашей стране, делятся на энергетические и угли для коксования. В общем объеме за период с 2010 года по 2015 год доля добычи энергетических выросла с 197,4 до 284,4 млн. т. Объемы добычи угля в России по видам см. на рис. 2.
Источник: Журнал «Уголь» по данным Росстата
Сколько в стране черного ископаемого и где его добывают
По информации Росстата, Российская Федерация (157 млрд. т.) занимает второе место после США (237,3 млрд. т.) в мире по угольным запасам. На долю РФ приходится около 18% всех мировых запасов. См. рисунок 3.
Источник: Росстат
Информация Росстата за 2010-2015 годы говорит о том, что в стране добыча проводится в 25 субъектах Федерации в 7 Федеральных округах. Действует 192 угольных предприятия. В их числе 71 шахта, и 121 угольный разрез. Их совокупная производственная мощность составляет 408 миллионов тонн. Более 80% его добывается в Сибири. Добыча угля в России по регионам отражена в таблице 1.
Источник: Министерство энергетики РФ
В 2016 году 227 400 тыс. т . добыто в Кемеровской области (такие города с одной отраслевой принадлежностью называют моногородами), из них около 125 000 тыс. тонн пошло на экспорт.
На Кузбасс приходится около 60% отечественного угольного производства, там находится около 120 шахт и разрезов.
В начале февраля 2017 г в Кемеровской области начал работу новый разрез - Трудармейский Южный с проектной мощностью 2 500 тыс. т. в год.
В 2017 г на разрезе планируется добыть 1 500 тыс. т. ископаемого, а на проектную мощность, по прогнозам, разрез выйдет в 2018 г. Также в 2017 г в Кузбассе планируется запуск трех новых предприятий.
Крупнейшие месторождения
На территории Российской Федерации есть 22 угольных бассейна (по информации Росстата на 2014 год) и 129 отдельных месторождений. Более 2/3 запасов из тех, что уже разведаны, сосредоточено в Канско-Ачинском (79,3 млрд. т.) и Кузнецком (53,4 млрд. т.) бассейнах. Они находятся на территории Кемеровской области Красноярского края.
Также к числу крупнейших бассейнов относятся: Иркутский, Печорский, Донецкий, Южно-Якутский, Минусинский, прочие. На рисунке 4 показана структура разведанных запасов по основным бассейнам.
Источник: Росстат
Импорт-экспорт
Российская Федерация входит в тройку крупнейших экспортеров угля после Австралии (объем экспорта 390 млн. т.) и Индонезии (330 млн. т.) в 2015 году. Доля России за 2015 год - 156 млн. т. черного ископаемого пошло на экспорт. Этот показатель для страны вырос на 40 млн. т. за пять лет. Кроме РФ, Австралии и Индонезии в шестерку стран-лидеров входят Соединенные Штаты Америки, Колумбия и ЮАР. Структура мирового экспорта представлена на рис. 5.
Рис. 5: Структура мирового экспорта (страны-крупнейшие экспортеры).
Каменным углём называют осадочную породу, образующуюся при разложении остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). Основные запасы каменного угля, добывающегося в настоящее время, образовались в период палеозоя, около 300-350 миллионов лет назад. Каменный уголь добывается уже несколько столетий и является одним из наиболее важных полезных ископаемых. Используется в качестве твёрдого топлива.
Каменный уголь состоит из смеси высокомолекулярных ароматических соединений (преимущественно углерода), а также воды и летучих веществ с небольшим количеством примесей. В зависимости от состава угля меняется и количество теплоты, выделяющееся при его сгорании, а также количество образующейся золы. От этого соотношения зависит ценность угля и его месторождений.
Для образования полезного ископаемого также необходимо было соблюдение следующего условия: гниющий растительный материал должен был накапливаться быстрее, чем происходило его разложение. Именно поэтому каменный уголь образовывался в основном на древних торфяных , где накапливались углеродные соединения, а доступ кислорода практически отсутствовал. Исходным материалом для возникновения угля является, собственно, сам торф, который также некоторое время использовался в качестве топлива. Уголь же образовался в том случае, если пласты торфа оказывались под другими наносами. Торф при этом спрессовывался, терял и воду, в результате чего образовывался уголь.
Каменный уголь возникает при залегании пластов торфа на значительной глубине обычно более 3 км. На более значительной глубине образуется антрацит – высший сорт каменного угля. Однако это не означает, что все угольные месторождения расположены на большой глубине. Со временем под действием тектонических процессов различной направленности некоторые пласты испытывали поднятие, в результате чего оказывались ближе к поверхности.
От того, на какой глубине находятся угленосные , зависит и способ добычи угля. Если уголь залегает на глубине до 100 метров, то добыча обычно ведётся открытым способом. Так называется снятие верхнего над месторождением, при котором полезное ископаемое оказывается на поверхности. Для добычи с большой глубины используется шахтовый метод, при котором доступ к осуществляется посредством создания специальных подземных ходов – шахт. Самые глубокие угольные шахты в России находятся на расстоянии около 1200 метров от поверхности.
Наиболее крупные месторождения каменного угля в России
Эльгинское месторождение (Саха)
Это угольное месторождение, находящееся на юго-востоке Республики Саха (Якутия) в 415 км к востоку от города Нерюнгри, является наиболее перспективным для открытой разработки. Площадь месторождения составляет 246 км2. Месторождение представляет собой пологую асимметричную складку.
Угленосными являются отложения верхней юры и нижнего мела. Основные угольные пласты находятся в отложениях нерюнгринской (6 пластов мощностью 0,7-17 м) и ундыктанской (18 пластов мощностью также 0,7-17 м) свит.
Угли здесь в основном полублестящие с очень высоким содержанием наиболее ценного компонента - витринита (78-98 %), средне- и высокозольные, малосернистые, малофосфористые, хорошо спекающиеся, с высокой теплотой сгорания. Эльгинский уголь с помощью специальной технологии можно обогатить, что позволит получить продукт более высокого качества, отвечающего мировым стандартам. Мощные пологие пласты угля перекрываются отложениями небольшой мощности, что очень важно для добычи открытым способом.
Элегестское месторождение (Тува)
Расположено в Республике Тува. Это месторождение обладает запасами около 20 миллиардов тонн. Большая часть запасов (около 80%) находится в одном пласте толщиной 6,4 м. Освоение этого месторождения в настоящее время продолжается, поэтому наибольшей мощности добыча угля здесь должна достигнуть примерно в 2012 году.
Крупные месторождения угля (площадь которых составляет тысячи км2) называют угольными бассейнами. Обычно такие месторождения находятся в какой-либо крупной тектонической структуре (например, прогибе). Однако не все месторождения находящиеся поблизости друг от друга принято объединять в бассейны, и иногда они рассматриваются как отдельные месторождения. Происходит это обычно по исторически сложившимся представлениям (месторождения открыты в разные периоды).
Минусинский угольный бассейн располагается в в Республике Хакасия. Добыча угля здесь началась ещё в 1904 году. К наиболее крупным месторождениям относятся Черногорское и Изыхское. По оценкам геологов, запасы угля на данной территории составляют 2,7 миллиарда тонн. В бассейне преобладают каменные длиннопламенные угли с высокой теплотой сгорания. Угли относятся к среднезольным. Максимальная зольность характерна для углей Изыхского месторождения, минимальная – для углей Бейского месторождения. Добыча угля в бассейне ведётся разными : существуют как разрезы, так и шахты.
Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс) – одно из крупнейших угольных месторождений мира. Кузбасс располагается на юге в неглубокой котловине между горными массивами , Горной Шории и . Это территория Кемеровской области. Сокращение «Кузбасс» является вторым названием области. Первое месторождение в районе Кемерово было открыто в далёком 1721 году, а в 1842 году геологом Чихачёвым был введён термин «Кузнецкий угольный бассейн».
Добыча здесь также ведётся разными способами. На территории бассейна располагается 58 шахт и более 30 разрезов. По качеству угли « » разнообразны и относятся к числу лучших углей.
Угленосная толща Кузнецкого угольного бассейна состоит примерно из 260 угольных пластов различной мощности, неравномерно распределённых по разрезу. Преобладающая мощность пластов угля от 1,3 до 4,0 м, но имеются и более мощные пласты в 9-15 и даже в 20 м, а в некоторых местах до 30 м.
Максимальная глубина угольных шахт не превышает 500 м (средняя глубина около 200 м). Средняя мощность разрабатываемых угольных пластов 2,1 м, но до 25 % шахтной добычи угля приходится на пласты свыше 6,5 м.
