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.
Когда меня пригласили посмотреть, как добывают уголь в Амурской области, я не сразу сориентировался, куда лететь. Москву и Амурскую область, где находятся угольные разрезы компании «Амурский уголь» (входит в холдинг «Русский Уголь»), разделяют тысячи километров, шесть часов полета и шесть часов разницы во времени. В полете высплюсь, подумал я, собрал аппаратуру, затянул часовые пояса потуже и полетел.
Сегодня в мы узнаем, как добывают бурый уголь.
Когда я приехал на залежи угля и сказал "карьер", меня сразу поправили - не «карьер», а "разрез". Разрез, потому что способ добычи угля таков, что при выемке пустой породы получаются длинные углубления в земле, которые похожи на разрезы. Если посмотреть на Северо-Восточный разрез близ города Райчихинска из космоса, то видно такую картину - характерные для добычи угля полосы в земле.
Добыча на Северо-Восточном разрезе (площадь 500 км2) ведется с 1932 г. Ерковецкий разрез (площадь месторождения 1250 км2) начал давать стране угля в 1991 году. Мощность угольного пласта здесь 3,5 - 5 метров.
Бурый уголь залегает не очень глубоко под землей, потому добывается открытым способом, который считается более безопасным, экономичным и быстрым. С первого взгляда на кусок угля возникает вопрос "почему он бурый, если он черный?" Но специалисты «Амурского угля» объяснили мне, что раньше качество угля определяли по следу черты, оставляемой на фарфоровой пластинке. Амурский уголь, как вы поняли, оставляет бурый след.
Бурый уголь менее калорийный, чем каменный и антрацит. Смотрим в википедию и выясняем, что калорийность, то есть теплота сгорания - количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой или объёмной единицы вещества. Есть у угля и другие параметры качества - содержание влаги и серы, летучих веществ и зольность. Все это тщательно анализируют отделы технологического контроля качества угля и углехимические лаборатории.
Но вернемся к процессу добычи твердого топлива. Все здесь, на первый взгляд, довольно просто - гигантский шагающий экскаватор драглайн вскрывает уголь (вынимает пустую породу), а экскаватор поменьше грузит уголь в вагоны. Вот и все! Но если бы это было так просто, от желающих добывать уголь не было бы отбоя. В реальности для добычи угля нужны большие инвестиции, опыт и знания, команда настоящих профессионалов с редкими сейчас навыками и умениями, а также обширный парк дорогостоящей горнотранспортной техники, свои ремонтные мастерские или заводы, автобазы, учебные центры… Не буду нагружать вас информацией о том, как геологи ищут уголь, как получают лицензию на добычу ископаемых, а сразу перейдем к самому интересному и понятному.
Добыча угля у меня всегда ассоциировалась с большими, нет, с огромными экскаваторами. Собственно на угольных разрезах они сразу бросаются в глаза из-за своего внушительного вида и величественной осанки - гордо вздернутые вверх стрелы сразу дают понять, что где-то здесь ведется добыча «черного золота».
В названии каждого экскаватора стоят аббревиатуры. Например, ЭШ 15/90 значит - Экскаватор Шагающий, 15 кубометров - объем ковша, а 90 метров - длина стрелы. Всего на разрезах «Амурского угля» задействовано 24 таких мастодонта, отличающихся длиной стрелы и объемом ковша. В одни ковши спокойно поместится уазик "буханка", а в другие - внедорожник Лэнд Крузер.
Вскрыша (выемка песчаника и глины) происходит так: машинист экскаватора опускает ковш на грунт, затем при помощи рычагов управления подтягивает его на себя, заполняя.
Потом машинист поворотом базы и стрелы переносит ковш в сторону отвалов и высыпает его. За месяц экипаж экскаватора должен вскрыть около 300 тыс. кубометров породы.
Там, где поработал драглайн, остаются горы пустой породы - отвалы. Поэтому местность, где добывают уголь, местами напоминает лунные пейзажи. Но только до тех пор, пока ведется добыча угля. После отработки участка, на нем незамедлительно проводят рекультивацию - разравнивают отвалы, подсыпают плодородный слой земли, высаживают деревья. Через несколько лет большинство людей и не заметят, что раньше здесь велась добыча угля и работали шагающие гиганты!
А пока по ландшафту разреза можно изучать геологию.
Кстати, после того, как драглайн добрался до угля, а потом уголь выбрали (то есть выкопали полностью на какой-то площади), разрез обратно засыпается той же породой - настоящее безотходное производство!
Для меня было открытием, что шагающие экскаваторы (и многие другие экскаваторы тоже) работают на электрической энергии. Каждый горный участок разреза получает электроэнергию от подстанции напряжением 35/6 кВ.
Вся техника на разрезах работает круглосуточно и без выходных: бригады трудятся посменно. Небольшие послабления в работе могут сделать лишь в случае аномально низкой температуры - когда гигантские ковши начинают намертво примерзать к земле.
Но подробнее о драглайнах я расскажу позже в отдельном посте. Следите за обновлениями.
Угольные пласты залегают близко к грунтовым водам, поэтому необходимо ее постоянно откачивать насосами. Здесь наглядно видно, какой слой породы был снят, чтобы добраться до залежей угля.
Ну, а дальше все просто - экскаватор ЭКГ-5А набирает уголь в ковш и грузит его сразу в вагоны, которые увезут его в рядовом виде потребителю или на участок сортировки угля.
В ковш экскаватора ЭКГ-5А помещается 5 кубометров угля, а для того чтобы заполнить стандартный вагон в него необходимо загрузить 13-14 ковшей угля.
На сортировку уголь привозят для того, чтобы разделить его на разные фракции. Местные Райчихинская ГРЭС и Благовещенская ТЭЦ потребляют уголь мелкой фракции, а более крупная идет на нужды ЖКХ, проще говоря, для отопления.
Так выглядит участок сортировки угля изнутри. Если не знаешь, что это и как работает, то следующее действо будет сюрпризом, как оно стало и для меня.
Это такая "карусель" для вагонов. Оператор со стороны проверяет, что вагон заехал на платформу вагоноопрокида, дает сигнал, и вагон, который стоит на платформе, поднимается вверх и опрокидывает содержимое в приемочный бункер.
Через несколько секунд этот громадный механизм (вагоноопрокидыватель боковой стационарный) ставит вагон в прежнее положение.
Впечатляющее зрелище!
После чего из приемника уголь по сложной системе конвейеров по специальной галерее отправляется на рассортировку, где с помощью грохотов и вибросит делится на разные фракции. Ну, а дальше в печь, чтобы давать электроэнергию и тепло.
На этом все! Спасибо, что дочитали.
Жми на кнопку, чтобы подписаться на "Как это сделано"!
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.
Россия может похвастаться самыми щедрыми месторождениями угля, однако зачастую они находятся в труднодоступных регионах, что осложняет их освоение. Кроме того, не все залежи являются извлекаемыми по геологическим причинам. Предлагаем вашему вниманию рейтинг угольных бассейнов мира, таящих в себе колоссальные природные богатства, большая часть которых так и останется в недрах земли, не будучи извлечённой на поверхность.
Тунгусский бассейн, Россия (запасы угля — 2,299 трлн тонн)
Бесспорное мировое лидерство по критерию объёма залежей угля принадлежит российскому Тунгусскому бассейну, который занимает площадь более миллиона квадратных километров и охватывает территории Иркутской области, Якутии и Красноярского края. Запасы блока насчитывают 2,299 трлн тонн каменного и бурого угля. О полномасштабной разработке месторождений бассейна говорить преждевременно, поскольку большая часть зон возможной добычи ещё мало изучена ввиду расположения в труднодоступных районах. На тех участках, которые уже разведаны, ведётся добыча открытым и подземным способами.
Кайерканский угольный разрез, Красноярский край
Ленский бассейн, Россия (1,647 трлн тонн)
В Якутии и частично в Красноярском крае расположился второй из самых крупных в мире угольных бассейнов — Ленский — с запасами в 1,647 трлн тонн бурого и каменного угля. Основная часть блока находится в бассейне реки Лены, в районе Центральноякутской низменности. Площадь угольного бассейна достигает 750 тыс. квадратных километров. Как и Тунгусский бассейн, Ленский блок изучен в недостаточной степени из-за труднодоступности района. Добыча осуществляется на шахтах и разрезах. На Сангарской шахте, закрытой в 1998 году, спустя два года начался пожар, который не потушен до сих пор.
Заброшенная шахта "Сангарская", Якутия
Канско-Ачинский бассейн, Россия (638 млрд тонн)
Третья позиция в рейтинге крупнейших угольных блоков мира досталась Канско-Ачинскому бассейну, запасы которого насчитывают 638 млрд тонн угля, по большей части бурого. Протяжённость бассейна составляет около 800 километров вдоль Транссибирской магистрали. Блок расположен в Красноярском крае, Иркутской и Кемеровской областях. На его территории открыты около трёх десятков месторождений. Бассейн характеризуется нормальными геологическими условиями для разработки. Ввиду неглубокого залегания пластов освоение участков проходит карьерным способом.
Угольный разрез "Бородинский", Красноярский край
Кузбасс, Россия (635 млрд тонн)
Кузнецкий бассейн является одним из самых масштабных из освоенных блоков на территории страны. Геологические запасы угля Кузбасса оцениваются в 635 млрд тонн. Бассейн находится в пределах Кемеровской области и частично в Алтайском крае и Новосибирской области, где добываются суббитуминозный уголь и антрацит соответственно. В Кузбассе преобладающим является подземный способ добычи, который позволяет извлекать более качественный уголь. Ещё 30% объёма топлива добывается открытым способом. Остальной уголь — не более 5% — извлекается гидравлическим способом.
Разрез "Бачатский", Кемеровская область
Иллинойсский бассейн, США (365 млрд тонн)
Пятым по объёму угольных запасов в мире числится Иллинойсский бассейн площадью 122 тыс. квадратных километров, расположенный в одноимённом штате, а также на территориях соседних регионов — Кентукки и Индианы. Геологические каменноугольные запасы достигают величины в 365 млрд тонн, из них для открытой разработки доступны 18 млрд тонн. Глубина добычи средняя — в пределах 150 метров. До 90% добываемого угля дают лишь два из девяти имеющихся пластов — "Харрисбург" и "Херрин". Примерно такое же количество угля идёт на нужды теплоэнергетической отрасли, остальные объёмы коксуются.
Угольная шахта Crown III, штат Иллинойс, США
Рурский бассейн, Германия (287 млрд тонн)
Знаменитый немецкий Рурский блок размещается в бассейне одноименной реки, являющейся правым притоком Рейна. Это один из самых старых участков угледобычи, известный ещё с тринадцатого века. Промышленные запасы каменного угля залегают на площади 6,2 тыс. квадратных километров, на уровне глубин до двух километров, однако в целом геологические толщи, общий вес которых находится в пределах 287 млрд тонн, достигают шести километров. Порядка 65% залежей составляет коксующийся уголь. Добыча производится исключительно подземным способом. Максимальная глубина шахт в районе промысла — 940 метров (шахта "Гуго").
Рабочие угольной шахты Auguste Victoria, Марль, Германия
Аппалачский бассейн, США (284 млрд тонн)
В восточной части США, на территории штатов Пенсильвания, Мэриленд, Огайо, Западная Виргиния, Кентукки и Алабама, расположился Аппалачский каменноугольный бассейн с запасами в 284 млрд тонн ископаемого топлива. Площадь бассейна достигает 180 тыс. квадратных километров. В блоке насчитывается около трёх сотен районов угледобычи. В Аппалачах сосредоточены 95% шахт страны, а также примерно 85% карьеров. На угледобывающих предприятиях бассейна заняты 78% работников отрасли. Добыча 45% угля осуществляется открытым способом.
Удаление горных вершин для добычи угля, Западная Виргиния, США
Печорский бассейн, Россия (265 млрд тонн)
В Ненецком АО и Коми находится восьмой по величине запасов угольный бассейн мира площадью 90 квадратных километров — Печорский. Залежи угля данного блока составляют 265 млрд тонн. Промысел ведётся в районах многолетней мерзлоты, в лесотундре и тундре. Кроме того, тяжёлые условия добычи связаны с тем, что пласты залегают неравномерно и характеризуются высоким уровнем метаноносности. Работа в шахтах опасна из-за высоких концентраций газа и пыли. Большинство шахт были построены непосредственно в Инте и Воркуте. Глубина разработки участков достигает 900 метров.
Разрез "Юньягинский", г. Воркута, Республика Коми
Таймырский бассейн, Россия (217 млрд тонн)
Ещё один российский угольный блок вошёл в мировую десятку — Таймырский бассейн, который находится на территории одноименного полуострова и занимает площадь 80 тыс. квадратных километров. Строение пластов сложное, часть залежей угля пригодна для коксования, а большинство запасов составляют энергетические марки. Несмотря на значительные объёмы запасов топлива — 217 млрд тонн — в настоящее время месторождения бассейна не разрабатываются. Перспективы освоения блока достаточно туманны ввиду его удалённости от потенциальных потребителей.
Слои каменного угля по правому берегу реки Шренк, полуостров Таймыр
Донбасс — Украина, РФ, ДНР и ЛНР (141 млрд тонн)
Замыкает рейтинг крупнейших угольных бассейнов Донбасс с объёмом залежей в 141 млрд тонн, который охватывает территорию российской Ростовской области и ряд регионов Украины. На украинской стороне часть административной территории в зоне бассейна охвачена вооружённым конфликтом, не контролируется киевскими властями, находясь при этом под управлением непризнанных республик — ДНР и ЛНР в Донецкой и Луганской областях соответственно. Площадь бассейна составляет 60 тыс. квадратных километров. В блоке распространены все основные марки каменного угля. Донбасс интенсивно осваивается продолжительное время — с конца 19-го века.
Шахта "Обуховская", г. Зверево, Ростовская область
Приведённый выше рейтинг ни в коей мере не отображает реальной ситуации с показателями разработки месторождений, а лишь показывает масштаб крупнейших геологических запасов мира без привязки к фактическим уровням разведки и извлечения полезных ископаемых в той или иной стране. Суммарное количество доказанных запасов на всех месторождениях в государствах, которые являются лидерами угледобывающей отрасли, значительно меньше, чем объём геологических залежей даже в одном крупном бассейне.
Из приведённой диаграммы очевидно, что нет зависимости не только между объёмами доказанных и общих геологических запасов. Отсутствует также связь между масштабами крупнейших бассейнов и доказанным количеством угля в странах, в которых они находятся. К примеру, несмотря на то, что в России расположены четыре самых крупных бассейна в мире, по объёмам доказанных запасов страна уступает лидерство США.
Рейтинги показывают богатство российских недр, но вовсе не возможность их освоения. В свою очередь, показатели добычи зависят от других факторов. К примеру, напомним, Пронедра писали ранее, что Россия в 2017 году нарастит экспорт угля . Решения такого рода принимаются с учётом ряда условий, не зависящих от объёма запасов. Речь идёт о сложности работы на месторождениях, применяемых технологиях, экономической целесообразности, политике властей и позиции отраслевых операторов.
