Происхождение и добыча угля

Уголь – популярное во всем мире топливо. Это невосполнимое полезное ископаемое используют уже на протяжении многих столетий. В чем его ценность и как он образовался? Об этом мы расскажем в этой статье. Также вы узнаете, как и какими способами его добывают.

Как образовался уголь

Образование угля является результатом естественных процессов, которые начались миллионы лет назад и продолжались долгие годы, пока по некоторым биологическим и эволюционным причинам не прекратились. Сырьем для угля служит растительная масса – в первую очередь это болотные растения и папоротники.

Образуется уголь в два этапа. Их называют:

• Торфообразование
• Углефикация

Дальше мы коротко расскажем, в чем их суть.

Процесс торфообразования

Как следует из названия, за этим процессом скрывается образование такого материала как торф – углеродистого образования, или рыхлой осадочной горной породы.

Торфообразование длится тысячи лет и представляет собой сильно замедленный процесс естественного разложения отмерших растительных остатков в холодной, влажной и кислой среде без доступа кислорода.

В естественных условиях отмершие растения перегнивают, превращаясь в органические удобрения для следующих поколений флоры. Но при определенных условиях процессы разложения затормаживаются и приостанавливаются. Такое течение естественных процессов и происходило в древних болотах, где накопление гниющей растительной массы происходило быстрее, чем ее естественное бактериальное разложение. Так образовывался торф – исходный продукт, из которого далее начинал формироваться уголь.

Основную роль в торфообразовании играют сфагновые и гипновые мхи.

Кроме того, в этом процессе участвуют:

• Камыш
• Осока
• Тростник
• Рогоз
• Вереск
• Аир
• Хвощ
• Багульник
• Папоротник
• Сапропель (донный ил)
• Древесные стволы (ольха, береза, ива, сосна и прочие)

При этом зеленая масса разлагается не полностью – образуется полуразложившийся гумус (процесс гумификации). Также отмершие остатки растений минерализуются (процесс минерализации). На выходе образуется торф с волокнистой структурой.

За год появляется слой от 0,2-0,4 мм до 1 мм ископаемого. Со временем такие торфяные залежи могут образовывать внушительный объем.

Процесс углефикации

С течением времени торфяные пласты опускаются вглубь земли. Болота могут пересыхать, затапливаться морем. На них наслаиваются осадочные породы. В итоге создается среда с огромным давлением и без доступа кислорода, а также с высокой температурой. В таких условиях биологические процессы заканчиваются, торф теряет воду и газы, обугливается и обогащается углеродом. В результате начинается углефикация, при которой торф превращается в бурый уголь.

Еще раз повторимся, что для того, чтобы из торфа получился уголь, необходимо высокое давление. Естественные геологические процессы обеспечили такое давление в полной мере. По мере поступления осадочных наслоений, давление все возрастало. А с возрастанием давления бурый уголь превращается в каменный, затем в антрацит (после антрацита идут шунгит и графит). Процесс «превращения» одного угля в другой называется метаморфизмом. Он длится миллионы лет.

Схематично весь процесс углеобразования можно представить в виде вот такой схемы:

С течением процессов метаморфизма меняется состав угля: в нем постепенно возрастает содержание углерода и уменьшается количество кислорода, водорода и различных летучих веществ. Кроме того, изменяются текстура и молекулярная структура, возрастает плотность материала.

Если вы хотите больше узнать о процессе образования угля и подробно прочитать о каждом этапе его происхождения, рекомендуем ознакомиться с большой статьей по теме на сайте Грунтовозов, которая называется Как образовался каменный уголь.

Как добывают уголь

Уголь в роли топлива используют не одно столетие. И действительно – добывать это полезное ископаемое начали еще в XVIII веке. Однако пик угледобычи приходится на 70-е годы прошлого столетия. В этот момент угольная промышленность во всех странах мира развилась лучше всего.

Сегодняшний технологический уровень угледобывающей промышленности в нашей стране хоть и не претерпел кардинальных изменений со времен СССР, но все же позволяет вести добычу в серьезных масштабах. Отчасти дело в том, что ни одна добывающая страна не обладает таким разнообразием геологических условий, в которых приходится вести добычу (исключением тут можно назвать разве что США, которые также обладают крупнейшими доказанными месторождениями каменного угля на внушительной территории). Такие условия просто не могли не повлиять на формирование идей и принципов конструирования угледобывающей техники и создания новых технологических приемов. Благодаря такому наследию наша страна обеспечивает и собственные нужды в каменном угле, и поставляет сырье на экспорт.

Способ добычи угля зависит от глубины его залегания.

Но в целом их два:

• Открытый (карьерный)
• Закрытый (шахтный)

Первый способ предполагает добычу материала на поверхности земли. Он относительно дешевый и безопасный.

Здесь есть 4 метода добычи угля:

• Поверхностный
  Он характерен для добычи угля на равнине при пологом расположении полезного ископаемого.
• Глубинный
  Его также проводят на равнине, однако для породы с большим углом наклона. Ископаемое в этом случае извлекают ступенями, постепенно углубляясь.
• Контурный
  Так добывают уголь в горной местности. Добыча при этом ведется по краю горы или холма.
• Нагорный
  Этот способ добычи также характерен для гористой местности. Добыча в этом случае начинается с вершины холма. В результате очень сильно меняется ландшафт местности.

Закрытый, или подземный способ применяют, если пласт угля залегает слишком глубоко. Он подразумевают добычу угля под землей в специальных шахтах. Такая шахтерская работа считается одной из самых сложных и опасных в мире. Кроме того, закрытый способ добычи накладывает серьезные ограничения на работу и имеет строгие требования.

Методы выемки ископаемого при закрытом способе могут быть следующими:

• Взрывной (буровзрывной)
  Это самый старый метод. Его суть состоит во взрывании породы, из-за чего она разрыхляется. После этого ее легко становится извлекать и поднимать на поверхность.
• Камерно-столбовой
  Добыча в этом случае проводится с помощью комбайнов избирательного разрушения с циклическим действием.
• Лавовый
  Его суть состоит в прокладке длинных выработок. Для получения угля используются комбайны непрерывного действия. Они перемещаются вдоль стены, а режущие инструменты слой за слоем разрушают пласт.
• Гидравлический
  Метод основан на разрушении пластов мощными струями воды. Порода при этом измельчается комбайном, а затем смывается водой в желоба.
• Сжатым воздухом
  Этот метод напоминает буровзрывной. Однако вместо взрывчатых веществ тут используют воздух под высоким давлением.
• Виброимпульсным
  При этом способе добычи порода разрушается за счет колебаний низкой частоты.

Выбор открытого или закрытого способа добычи угля напрямую зависит от свойств породы и пласта угля, а также от требований к физической кондиции конечного сырья.

Мировая добыча угля более чем наполовину производится открытым способом. В России же это полезное ископаемое добывают преимущественно в шахтах, причем делают это на рекордных глубинах – более километра! Температура в таких шахтах, как правило, довольно высока.

В таблице ниже мы сравнили открытый и закрытый способы добычи угля по нескольким основным критериям. На их основе можно выделить преимущества и недостатки обоих способов.

Сравнение открытого и закрытого способов добычи угля

Как видите, у каждого способа добычи есть свои достоинства и недостатки.

По вполне понятным и естественным причинам, карьерный способ угледобычи является наиболее безопасным, экономически выгодным и технически гораздо более легким, чем шахтный. Все процессы производства в данном случае ведутся на поверхности. Однако только шахтным способом можно добывать ценные марки угля. Кроме того, по мере углубления карьера на определенном этапе закрытый способ может стать экономически и технически более целесообразным, чем открытый.

Отметим также, что технологии добычи постоянно совершенствуются, и постепенно те месторождения, которые раньше считались нерентабельными (а таковые имеются в более чем 70 странах), начинают разрабатываться теми странами, которые имеют соответствующую научную базу и технологические мощности.

Если вам интересно больше узнать о разных способах добычи угля, рекомендуем к прочтению следующие страницы:

Добыча каменного угля

Добыча угля открытым способом

Добыча угля шахтным (закрытым) способом

Добыча угля в мире

Добыча угля в России

Экологические проблемы добычи угля