Каменный уголь – это порода органического происхождения, залегающая пластами. Интенсивная добыча этого полезного ископаемого началась в XVIII веке и достигла своего пика в 70-х годах прошлого столетия. Сейчас интерес к углю как к топливному ресурсу возрастает , совершенствуются методы выработки. При добыче полезного ископаемого начинают обращать особое внимание на защиту и охрану окружающей среды.
В этой статье мы подробно расскажем, где добывают каменный уголь и при каких условиях. Вы узнаете, как называются угольные карьеры, в чем их отличия друг от друга. Также мы опишем разные методы добычи угля и их основные особенности.
Что такое каменный уголь и как он выглядит
Строительство шахты является очень дорогостоящим вложением, однако по истечении времени все затраты полностью окупаются. При добыче угля на поверхность попадают и другие ресурсы.
Есть вероятность добычи драгоценных металлов и редко встречающихся земных элементов, которые впоследствии возможно продать и получить дополнительную прибыль.
Нефть является практически самым драгоценным ресурсом и основным источником топлива на сегодняшний день. Однако, ни одна фирма или страна, добывающая каменный уголь, не пренебрежет его добычей во имя нефти, ибо твёрдое топливо также имеет большое значение и высокую ценность.
Открытый способ
Разработки по добыче угля 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 добычи угля считается одним из самых распространенных в мире – с его помощью добывается более 55% угля в год, что составляет 4102,1 млн т.
Образование каменного угля
Уголь в природе образовывается путем изменения поверхностного рельефа. Ветки деревьев, растения, листья и другие природные остатки, не успевшие перегнить, насыщаются влагой от болот, из-за чего преобразовываются в торф.
Далее на сушу попадает морская вода, когда она уходит, она также оставляет слой отложений. После реки вносят свои коррективы, земля заболачивается, опять образуется или покрывает почву. Поэтому состав каменного угля сильно зависит от возраста.
Каменный уголь средний по возрасту между бурым, самым молодым, и антрацитом, самым старшим.
Гидравлический способ
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.
Виды каменного угля, их состав и свойства
Существует несколько разновидностей каменного угля:
- длиннопламенные,
- газовые,
- жирные,
- коксовые,
- слабоспекающиеся,
- тощие.
Также распространены виды, состоящие из нескольких, так называемые смешанные, обладающие свойствами двух групп.
Каменный уголь отличается черной окраской, твердой, слоистой, легко разрушаемой структурой, обладает блестящими вкраплениями. Горючие свойства довольно высоки, так как материал используется, как топливо.
Рассмотрим физические характеристики:
- Плотность (или удельный вес) сильно варьируется (максимальная может достигать 1500 кг/м³).
- Удельная теплоемкость составляет 1300 Дж/кг*К.
- Температура горения 2100°С (при переработке 1000°С).
Страны, добывающие уголь
Лидерами по объёмам добычи угля, согласно данным «Статистического обзора мировой энергетики», в 2022 году стали:
- Китай – 3 846 млн. тонн.
- Индия – 756,4 млн. тонн.
- США – 639,8 млн. тонн.
- Индонезия – 610,0 млн. тонн.
- Австралия – 506,7 млн. тонн.
- Россия – 440 млн. тонн.
- ЮАР – 254,3 млн. тонн.
- Германия – 133,9 млн. тонн.
- Казахстан – 115,4 млн. тонн.
- Польша – 112,4 млн. тонн.
Автор: Юрий Флоринских Все статьи этого автора
Последние статьи автора: Крупнейшие производители молока и молочной продукции в мире Алмазы: свойства, способы добычи и применение
Месторождения каменного угля в России
На российской территории находится около трети мировых запасов.
Месторождения угля и горючих сланцев в России (для увеличения нажмите)
Самым крупным месторождением угля на территории России является Эльгинское. Оно располагается в районе Якутии.
Запасы по примерным расчетам составляют более 2 млрд. тонн.
Происхождение
Уголь появился еще задолго до появления человека. Его примерный возраст 200-400 млн лет. То, как появился уголь, до сих пор неясно.
Существует 4 теории, по которым, возможно, появился уголь.
- Самая распространенная – образование торфа, а затем угля произошло из-за распада папоротников, плаунов, хвощей. Однако эта теория не может объяснить пласты ископаемых толщиной в 400–700 метров. Ведь для образования 500 метров ископаемых требуется 2000 метров торфа, т. е. растения одних видов должны были произрастать на территории миллионы лет без изменений погодных условий.
- Термическая теория – медленное тление растительных остатков в условиях среды с малым содержанием кислорода с постепенным превращением в обычный уголь, а затем – в каменный. Однако при этом внутри ископаемых не сохранились бы части растений.
- Версия с морской водой. Упав в океан, растения подвергались длительному процессу углефикации, находясь под давлением и без кислорода. Теория подтверждается морскими находками – водорослями, песком.
- Абиогенная – уголь появлялся путем нагревания метана в присутствии водорода и углекислого газа. По этой теории, находки в пластах являются не остатками растений, а пиролитическим графитом, потому нельзя достоверно определить возраст добываемых ископаемых.
При добыче полезного ископаемого обнаруживаются весьма интересные особенности:
- В ластах полезного ископаемого обнаруживаются вертикально стоящие стволы деревьев.
- Порой при добыче совместно с углем располагаются каменные залежи магматического происхождения весом до 75 килограмм.
- Реже всего рядом с углем можно найти залежи золота и металла, что указывает на активный углеобразовательный процесс.
- В углеродосодержащей среде нередко обитают кольчатые черви или останки моллюсков.
- Предметы округлой формы, которые сложно идентифицировать. Есть версия, что это яйца динозавров.
Крупнейшие месторождения каменного угля в мире
Первой страной в рейтинге по количеству добываемого ежегодно каменного угля являются США, на втором месте находится Россия.
Карта месторождений угля в мире (для увеличения нажмите)
В США самым известным угольным бассейном считается Иллинойский. Общий запас залежей в данном месторождении насчитывает 365 млрд. тонн.
Дальше следует Рурский бассейн, находящийся на территории современной Германии. Все месторождения и места разработки бассейнов находятся под строгой охраной.
Как находят и разрабатывают угольные месторождения?
Места, где есть уголь, на планете уже давно разведаны. Его запасы в разных странах огромные, их хватит для нужд отопления и промышленности почти на три века. Но по оценкам геологов, их может быть больше, поскольку не во всех частях света проводились глубинные геолого-поисковые работы на предмет наличия угольного топлива. Разработка угольных месторождений актуальна и приносит ощутимый доход государствам, которые занимаются добычей этого твёрдого чёрного золота. Процесс разработки залежей ведётся в зависимости от рельефа местности и глубины залегания угольных пластов.
Интересно: Почему после соленого или сладкого хочется пить? Причины, фото и видео
Добыча каменного угля
Каменный уголь в наше время добывается тремя основополагающими способами. Такими как:
- карьерный метод,
- добыча через штольни,
- метод добычи в шахтах.
Способ добычи через карьеры используется, когда пласты угля залегают на поверхности, примерно на ста метрах в глубину и выше.
Карьеры подразумевают простое разрытие земли или песочной ямы, из которой и ведётся добыча, обычно в таких случаях угольный пласт имеет достаточно большую толщину, что делает его добычу проще.
Штольни подразумевают под собой скважины, с большим углом наклона. По нему все добытые ископаемые доставляются наверх, при этом нет необходимости задействовать серьезную технику или вырывать котловину.
Обычно залежи в таких местах имеют небольшую толщину и зарыты не особенно глубоко. Поэтому метод добычи через штольни позволяет быстро производить добычу без особых затрат.
Добыча через шахты самый распространённый метод добычи ископаемых, вместе с тем самый продуктивный, но в то же время и опасный. Шахты пробуриваются на большую глубину, достигающую нескольких сотен метров. Однако на это требуется разрешение, подтверждающее обоснования для таких масштабных работ, доказательства наличия залежей.
Порой шахты могут достигать километра, а то и больше в глубину, и протягиваться на несколько километров в длину, образуя связанные между собой паутины коридоров под землёй. В 20 веке вокруг шахт со временем образовывались даже поселения и небольшие города, в которых жили шахтеры с семьями.
Именно из-за условий добычи, работа в шахтах считается очень трудной и опасной, ведь огромное количество раз шахты обрушивались, погребая под собой десятки, а то и сотни людей, работающих там.
Шахтный способ
Этот метод применяется при добыче угля 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.
Экономическое значение
Начиная с 1970 года, российское правительство начало переориентировать энергетический комплекс на использование газа. Перед Министерством энергетики и угольной промышленности стояла задача обеспечить более быстрые темпы роста энергетики в сравнении с промышленностью.
Ежегодное увеличение объемов добычи угля, начиная с 1999 года, происходит с недостаточной скоростью. В российском энергобалансе на долю угля приходится только 18%, хотя средний показатель по миру — около 40%. Такой низкий показатель не может обеспечить энергетическую безопасность страны.
Рост цен на нефть и газ в очередной раз заставляет обратить внимание на угольный ресурс. В 2007 году министром угольной промышленности была принята схема размещения энергообъектов до 2020 года, согласно которой произойдет снижение доли газовых станций на 30-35%, а работающих на угле возрастет до 31-38%. Изменения коснутся и топливного баланса, доля газа должна уменьшиться с 68% до 50%.
Проблемы
Серьезный кризис в период с 1991 года по 1994 привел к снижению объемов добычи и экспорта в два раза. Больше половины российский каменноугольных шахт (порядка 60%) имеют срок службы 20 лет, однако, несмотря на это, в них ни разу не была произведена реконструкция за весь период эксплуатации. Также во времена СССР они поддерживались государственными дотациями. Свободные рыночные цены и отсутствие господдержки в итоге провели черту окупаемости, ниже которой оказалось несколько компаний, что привело к закрытию ряда шахт из-за их нерентабельности.
Адаптация к новым условиям рынка завершилась к 2010 году, во время которого ситуация значительно улучшилась: объем добычи уже составил 320 млн тонн, также возобновился рост инвестиций.
Разработка и обслуживание уже существующих угольных бассейнов требует рабочей силы, однако в этом вопросе наблюдается существенный дефицит. Такое положение вещей связано с низкими зарплатами и тяжелыми условиями труда. Также многие места разработок находятся в труднодоступных регионах и суровых климатических условиях. Комплексное влияние этих факторов на фоне невысоких зарплат создает недостаток рабочей силы.
Перспективы развития
Уголь является для России важным ресурсом, научный и высокотехнологичный подход к обработке которого может стать надежным источником бюджетных средств.
В развитии угольной промышленности выделяют несколько перспектив:
- Углехимия.
- Коксохимия — производство металлургического кокса и сопутствующих элементов.
- Производство наноматериалов.
- Разработка экологичных способов сжигания углей.
- Изготовление строительных материалов из переработанных отходов угольной промышленности.
- Дегазация угольных пластов.
Общее повышение рентабельности угольной промышленности может быть достигнуто широкомасштабной дегазацией угольных пластов.
C + H2O —> H2 + CO
Этот газ можно использовать как топливо в электростанциях, а также в качестве сырья для производственного процесса Фишера — Тропша. В 1925 году директор немецкого Института кайзера Вильгельма по исследованию угля Франц Фишер и его коллега Ханс Тропш получили жидкое моторное топливо из синтез-газа. Монооксид углерода восстанавливается водородом при нормальном давлении и температуре около 270 °С в присутствии специфических катализаторов. В итоге получается жидкая смесь углеводородов, которую после очистки можно использовать в качестве моторного топлива. Во время Второй мировой войны Германия, бедная нефтью, но богатая углём, синтезировала таким способом топливо для боевых машин.
Классификация угля по маркам
Как уже было сказано, уголь может отличаться по составу. Конкретные соединения в составе угля выделить крайне сложно, поэтому для того, чтобы характеризовать уголь, пользуются лишь некоторыми характеристиками: концентрацией летучих веществ, влажностью, содержанием углерода, теплотой сгорания и др.
Обычно все эти характеристики связаны. Чем больше содержание углерода в угле и меньше летучих веществ, тем больше тепла сможет дать топливо. Согласно этим характеристикам уголь делят на марки.
Объем эмиссии вреда окружающей среде
Помимо воздействия на здоровье человека применение каменного угля представляет собой серьезные последствия для окружающей среды и для экологии в целом. Исчезновение ручьев, изменение естественных водостоков, загрязнение воды, дополнительная эрозия и кислотные стоки в поверхностные воды являются лишь некоторыми из потенциальных последствий.
В мире вводится в действие Закон о контроле над поверхностной добычей полезных ископаемых и мелиорации, в соответствии с которым полоса добытых земель должна быть возвращена к первоначальной биотической продуктивности.
Как и все ископаемое топливо, уголь испускает углекислый газ при его сжигании. Фактически, ископаемое является ответственным за выброс большой части углекислого газа. Кроме того, большинство этого полезного ископаемого также содержит определенное количество других элементов, таких как сера, ртуть, а иногда и литий. Горение приводит к образованию NOx и SOx.
Бурый уголь (Б)
Это самая молодая и поэтому наименее полезная марка угля. Выглядит как каменная масса бурого цвета. Иногда на нем даже заметна древесная структура. Выход тепла составляет всего лишь 22 МДж/кг. Причина этому — низкое содержание углерода, большое количество влаги, летучих веществ и минеральных примесей. Все это не обеспечивает эффективное горение.
Образуется такой уголь напрямую из торфа и залегает на небольшой глубине (от 10 до 200 метров). В России его добывают на Солтонском месторождении, в Тунгусском и Канско-Ачинском угольных бассейнах.
Другие виды классификаций
Помимо тех марок, что представлены выше, существует и множество промежуточных марок, например коксовый жирный (КЖ), газовый спекающийся (ГС), длиннопламенный газовый (ДГ).
Также уголь каждой марки может иметь разные размеры кусков. В таком случае буква, обозначающая сорт, располагается после буквы, обозначающей марку. Например, антрацит-орех (АО), жирный-плита (ЖП), коксовый семечко (КС).
Существует и классификация угля по происхождению. Весь уголь, как уже было сказано, образуется из растений в течение миллионов лет. Но растения могут иметь разную природу. Так, угли делятся на гумусовые (из древесины, листьев, стеблей) и сапропелитовые (из остатков низших растений, например водорослей).
