Каменный уголь

Ка́менный у́голь— твёрдое горючееполезное ископаемое, промежуточная по содержаниюуглеродаформауглямеждубурым углёмиантрацитом.
Каменный уголь был известен ещё в древнем мире. Первое упоминание о нём связывают сАристотелем(IV век до н. э.). Несколькими десятилетиями позже, его ученикТеофраст Эресскийв «Трактате о камне» писал:
Древние римляне добывали каменный уголь для отопления на территории нынешнейВеликобритании. В I веке до н. э. в китайской провинцииЮньнаньуголь нагревали без доступа воздуха и получаликокс.
Плотнаяпородачёрного, иногда серо-чёрного цвета. Блеск смоляной или металлический. В органическом веществе каменного угля содержится 75—92 %углерода, 2,5—5,7 %водорода, 1,5—15 %кислорода. Содержит 2—48 % летучих веществ. Влажность 1—12 %. Высшая теплота сгорания в пересчёте на сухое беззольное состояние 30,5—36,8 МДж/кг. Каменный уголь относится кгумолитам;сапропелитыигумитосапропелитыприсутствуют в виде линз и небольших слоёв.
Образование каменного угля характерно почти для всех геологических систем — отдевонадонеогена(включительно); он активно формировался вкарбоне,перми,юре. Залегает уголь в форме пластов и линзовидных залежей различной мощности (от десятков сантиметров до нескольких десятков и сотен метров) на разных глубинах (от выходов на поверхность до 2500 м и глубже).
Каменный уголь характеризуется нейтральным составом органической массы. Он не реагирует со слабыми щелочами ни в обычных условиях, ни под давлением. Битумы каменного угля, в отличие отугля бурого, представлены преимущественно соединениями ароматической структуры. В каменном угле не обнаруженыжирные кислотыиэфиры, мало соединений со структуройпарафинов. Угольное вещество является неферромагнитным (диамагнитным), минеральные примеси характеризуются парамагнитными свойствами.Магнитная восприимчивостьугля возрастает с увеличением их стадииметаморфизма. По своим тепловым свойствам каменный уголь приближается к теплоизоляторам.
Главные технологические свойства каменного угля, определяющие его ценность: спекаемость икоксовая способность. Стандартный показатель спекания —индекс Рога(RI) и толщина пластического слоя в аппаратеЛ. М. Сапожникова.
Каменный уголь образуется из торфа, перемещённого на глубину и подвергшегося там изменениям в условиях высокого давления окружающих пород земной коры и сравнительно высокой температуры. Ранее считалось, что уголь образуется исключительно в результате физико-химических процессов, но, по данным, опубликованным в 2021 году, наиболее вероятный основной путь превращения растительных остатков (лигнита) в каменный уголь —метаногенезтермофильнымимикроорганизмами, в частности,Methermicoccus shengliensis.
При погружении угленосной толщи на глубину в условиях повышения давления и температуры происходит последовательное превращение органической массы, изменение её химического состава, физических свойств и молекулярного строения. Все эти преобразования обозначаются термином «региональный метаморфизмугля». На конечной (высшей) стадии метаморфизма каменный уголь превращается вантрацитс ярко выраженной кристаллической структуройграфита. Кроме регионального метаморфизма, иногда (реже) имеют место преобразования под воздействием тепла изверженных пород, расположенных рядом с угленосными толщами (перекрывающих или подстилающих их) —термальный метаморфизм, а также непосредственно в угольных пластах —контактовый метаморфизм. Рост степени метаморфизма в органическом веществе каменного угля прослеживается последовательным увеличением относительного содержания углерода и уменьшением содержания кислорода и водорода. Последовательно снижаетсявыход летучих веществ(от 50 до 8 % в пересчёте на сухое беззольное состояние), изменяются также теплота сгорания, способность спекаться и физические свойства угля. В частности, линейно меняются блеск, отражательная способность, насыпная масса угля и другие свойства. Другие важные физические свойства (пористость, плотность, спекаемость, теплота сгорания, упругие свойства и другое) изменяются по ярко выраженным параболическим законам или смешанным.
Как оптический критерий стадии метаморфизма угля используется показатель отражательной способности; он применяется также и внефтяной геологиидля установления стадии катагенных преобразований осадочной толщи. Отражательная способность в масляной иммерсии (R0) последовательно возрастает от 0,5-0,65 % для углямаркиД до 2-2,5 % для угля марки Т.
Плотность и пористость каменного угля зависят от петрографического состава, количества и характера минеральных примесей и степени метаморфизма. Наибольшей плотностью (1300—1500 кг/м³) характеризуются компоненты группыфюзинита, наименьшей (1280—1300 кг/м³) — группывитринита. Изменение плотности с повышением степени метаморфизма происходит параболическим законом с инверсией в зоне перехода к группе жирных; в малозольных проявлениях она снижается от угля марки Д к марке Ж в среднем от 1370 до 1280 кг/м³ и затем последовательно возрастает для угля марки Т до 1340 кг/м³.
Общая пористость угля изменяется также по экстремальным законам; для донецкого угля марки Д она составляет 14—22 %, угля марки К 4—8 % и увеличивается (видимо, вследствие разрыхления) до 10—15 % для угля марки Т. Поры в угле разделяют на макропоры (средний диаметр 500×10м) и микропоры (5-15×10м). Промежуток занимают мезопоры. Пористость уменьшается с увеличением стадии метаморфизма. Эндогенная (развитая в процессе образования угля) трещиноватость, которая оценивается количествомтрещинна каждые 5 см блестящего угля, зависит от стадии метаморфизма угля: она возрастает до 12 трещин при переходе бурого угля в длиннопламенный уголь и имеет максимум в 35-60 для коксующегося угля и последовательно уменьшается до 12-15 трещин при переходе к антрацитам. Подчинённые такой же закономерности изменения упругих свойств угля —модуль Юнга,коэффициент Пуассона,модуль сдвига(среза), скоростьультразвука. Механическая прочность каменного угля характеризуется его дробимостью, хрупкостью итвёрдостью, а также временным сопротивлением сжатию.
Каменный уголь разделяют на блестящий, полублестящий, полуматовый, матовый. Как правило, блестящие виды угля малозольны вследствие незначительного содержания минеральных примесей.
Среди структур органического вещества угля выделено 4 типа (телинитовый, посттелинитовый, преколинитовый и колинитовый), которые являются последовательными стадиями единого процесса разложениялигнинов—целлюлозныхтканей. К генетическим группам каменного угля, кроме этих четырёх типов, дополнительно включён лейптинитовый уголь. Каждая из пяти генетических групп по типу вещества микрокомпонентов угля разделена на соответствующие классы.
Существует много видов классификаций каменного угля: по вещественному составу, петрографическому составу, генетические, химико-технологические, промышленные и смешанные. Генетические классификации характеризуют условия накопления угля, вещественные и петрографические — его вещественный и петрографический состав, химико-технологические — химический состав угля, процессы формирования и промышленной переработки, промышленные — технологическое группировки видов угля в зависимости от требованийпромышленности. Классификации угля в пластах используются для характеристики угольныхместорождений.
За основу промышленной классификации каменного угля в отдельных странах принимаются различные параметры свойств и состава угля: вСШАкаменный уголь классифицируют по теплоте сгорания, содержанием связанного углерода и относительным содержанием летучих веществ, вЯпонии— по теплоте сгорания, так называемым топливным коэффициентам и прочностьюкоксовлибо неспособностью к коксованию. ВСССРв1954 годукак основная промышленная классификация действовала разработанная в1930 годуВ. С. Крымом так называемая Донецкая классификация. Она называется иногда «марочной», одновременно является и генетической, поскольку положенные в её основу изменения свойств угля отражают их связь с генетическим развитием органического вещества угля.
Каменный уголь сосредоточен вДонецком каменноугольном бассейнеи вЛьвовско-Волынском угольном бассейне(Украина);Карагандинском(Казахстан);Кузнецком,Печорском,Южно-Якутском,Минусинском,Буреинском,Тунгусском,Ленском,Таймырском(Россия);Аппалачском, Пенсильванском(Северная Америка), Нижнерейнско-Вестфальском (Рурском— Германия);Верхнесилезском,Остравско-Карвинском(Чехия и Польша); бассейнеШаньси(Китай),Южно-Валлийскомбассейнах (Великобритания).
Среди крупнейших каменноугольных бассейнов, промышленная разработка которых началась в XVIII—XIX вв., выделяют Центральную Англию, Южный Уэльс, Шотландию и Ньюкасл (Великобритания); Вестфальский (Рур) и Саарбрюккенский бассейны (Германия); месторождения Бельгии и Северной Франции; бассейны Сент-Этьенна (Франция); Силезии (Польша); Донецкий бассейн (Украина).
В 2017 годууголь занял 16-е место среди наиболее торгуемых товаров на мировом внешнем рынке. Оборот оценивался в 122 млрд долл. США.
Каменный уголь используется как технологическое, энерго-технологическое и энергетическоесырьё, при производствекоксаиполукоксав связи с получением из них большого количества химических продуктов (нафталин,фенол,пеки так далее), на основе которых получаютудобрения,пластмассы,синтетические волокна,лаки,краскии так далее.
Одно из самых перспективных направлений использования каменного угля — сжижение (гидрогенизация угля) с получением жидкого топлива. Существуют различные схемы неэнергетического использования каменного угля на основе термохимической, химической и другой переработки с целью их полного комплексного использования и обеспечения охраны окружающей среды.
Сжигание угля вносит заметный вклад вглобальное потепление. Существует мнение, что для того, чтобы избежать опасных климатических изменений, необходимо запретить добычу некоторой частиуглеводородов. В особенности, это касается угля. В числе стран, которым следует полностью отказаться от угледобычи называются Китай, Россия и США.
Научно-популярная