Вещественный состав и направления использования твердых полезных ископаемых. Учебное пособие

роды. Известняки, мергели и мел составляют основную часть цементной шихты. При производстве магнезитовых цементов применяются доломиты.

Карбонатные породы, применяемые для изготовления портландцемента, должны содержать СаО не менее 40 %, MgO – не более 3,8 %, SO3 – не более 1,2 %. Содержание SiO2, Аl2О3 и Fe2O3 должно обеспечивать допустимые значения коэффициента насыщения, силикатного и глиноземного модулей. Требования к качеству цементной сырьевой смеси (сырьевой шихты) регламентируются соответствующими техническими требованиями. Карбонатным сырьем для производства белого портландцемента служат маложелезистые известняки с малым содержанием окислов железа (0,15–0,35 %) и марганца (0,015–0,040 %).

При производстве строительной извести, необходимой для приготовления строительных растворов и бетонов, а также используемой при выпуске силикатного кирпича и блоков, применяются известняки, доломиты, мел, а также мергелистые разновидности этих пород. Для приготовления воздушной извести пригодны карбонатные породы с содержанием СаСО3 не ниже 47 % и MgCO3 не выше 5 %; для изготовления гидравлической извести – породы, содержащие не менее 72 % СаСО3 и не более 8 % MgCO3. Прочность на сжатие должна составлять 10–50 МПа.

Сульфатные вяжущие материалы. Основным сырьем для производства этих материалов является гипс CaSO4×2H2O. Он применяется главным образом для полуводного CaSO4×0,5H2O, или обыкновенного строительного гипса, называемого также

алебастром. Получается он путем обжига гипсового камня при температуре 120–180 °С и используется как штукатурный материал для производства гипсолитовых плит, гипсовых отливок и т.п.

При обжиге гипса при температуре 600–700 °С образуется безводный гипс (CaSO4). При внесении в порошок такого гипса бисульфата натрия или алюмокалиевых квасцов получается так называемый ангидритовый цемент, который при добавлении воды приобретает способность схватывания, т.е. превращается в твердую массу.

Если обжечь гипс при температуре 800–1000 °С, то получится кальцинированный гипс, или экстрих-гипс. Это еще один вид гипсового вяжущего материала, обладающего высо-

101

кой прочностью (до 20–25 МПа). В связи с трудоемкостью производства ангидритовый цемент и кальцинированный гипс имеют в строительстве ограниченное применение.

5.3.4. Стекольно-керамическое сырье

Базовым сырьем для керамической промышленности являются глины. Глины – это собирательный термин, применяемый для обозначения рыхлых осадочных пород, сложенных преимущественно пелитовыми частицами (менее 0,001 мм) и состоящие в основном из глинистых минералов – слоевых силикатов и алюмосиликатов. По минеральному составу принято выделять каолиновые глины (с преобладанием минералов группы каолинита), гидрослюдистую глину и т.д.

Всостав природных глинистых пород входят главным образом глинистые и близкие к ним по физическим свойствам минералы (так называемая глинистая субстанция), а также карбонаты, полевые шпаты, кварц, слюды, гидроксиды алюминия и железа. Особенности минерального состава глинистых пород предопределяют направления их использования в промышленности.

С определенной долей условности глину можно определить как горную породу, способную с водой образовывать пластичное тесто, сохраняющее при высыхании приданную ему форму, а после обжига приобретающее твердость камня.

Важнейшими технологическими свойствами глинистых пород, определяющими их использование в промышленности, являются пластичность, огнеупорность, спекаемость, вспучивание, а также набухание, усушка, усадка, адсорбционная и связующая способности, окраска, способность образовывать устойчивые суспензии с избытком воды, относительная химическая инертность.

По содержанию глинозема в прокаленном состоянии глинистые породы подразделяются на высокоглиноземистые

(Аl2О3 – свыше 45 %), высокоосновные (Аl2О3 – 38–45 %), основные (Аl2О3 – 28–38 %), полукислые (Аl2О3 – 14–28 %) и кислые (Аl2О3 – менее 14 %).

Взависимости от температуры плавления глинистые породы подразделяются на легкоплавкие (до 1350 °С), тугоплавкие (1350–1580 °С) и огнеупорные (свыше 1580 °С).

102

Основным потребителем глин является керамическая промышленность. Так, из каолиновых глин изготавливаются фарфор и фаянс, из так называемых кирпичных суглинков – красный кирпич, из тугоплавких (гидрослюдистых) глин (преимущественно монтмориллонит) – шамотный кирпич и т.д.

Кроме того, глины используются при производстве цемента, керамзита, очистки нефтепродуктов и жиров, для окомкования железорудных и флюоритовых концентратов, в литейном производстве, буровом деле, химической промышленности, а также в виде наполнителя в бумажной, фармацевтической, парфюмерной промышленности, в сельском хозяйстве, винодельческой, комбикормовой, пищевой, текстильной промышленности. Для каждой отрасли народного хозяйства глинистое сырье должно отвечать требованиям соответствующих ГОСТов или технических условий.

Помимо глин в керамической промышленности используются кварцевые пески, которые вводятся в шихту для отощения массы, улучшения формирования керамического черепка, повышения вязкости расплава, просвечиваемости, белизны и прочности фарфора.

Кроме того, в керамической промышленности используются полевые шпаты (главным образом калиевые) как в качестве плавня, так и для повышения вязкости расплава и для приготовления эмалей. В этом виде сырья строго лимитируется содержание окислов железа (0,15–0,30 %).

В стекольной промышленности кварцевые пески являются основным компонентом шихты для варки всех видов стекольной продукции. Кварцевые пески представляют собой практически мономинеральную рыхлую обломочную осадочную породу, состоящую из зерен кварца размером 0,05–1,00 мм. Их цвет белый, но может приобретать дополнительные оттенки в зависимости от состава пленок, образующихся на поверхности кварцевых зерен. Требования к стекольным пескам очень высоки, особенно по химическому составу. ГОСТ 22551–2019 регламентирует в зависимости от марки песка содержание в них кремнезема (не менее 95,0–99,8 %), окислов железа (не более 0,010–0,025 %), глинозема (не более 0,1–0,4 %) и т.д.

Для производства высоких сортов стекла (оптическое стекло, хрусталь или богемское стекло) используются кусковой

103

мономинеральный блоковый кварц, отходы горного хрусталя

ииные мономинеральные кварцевые субстанции.

Встекольном производстве также используются известняки (содержание СаО не менее 52 %, MgO не более 2,5 %), доломиты (СаО не менее 34 %, MgO не более 18 %). Качество карбонатных пород для данного производства регламентируется ГОСТ 23671–2020, ГОСТ 23672–2020, ГОСТ 1498–64.

104

ГЛАВА 6.

ТВЕРДЫЕ ГОРЮЧИЕ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ И НАПРАВЛЕНИЕ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

К этому типу полезных ископаемых относятся специфические органического происхождения субстанции, которые иногда называются каустобиолиты (от греч. каустикос – горючий, биос – жизнь, литос – камень), т.е. горючие породы биогенного происхождения. К ним относятся торф, ископаемые угли, горючие сланцы, озокериты (горный воск), твердые битумы, асфальтиты и янтарь. Основное промышленное значение имеют ископаемые угли и горючие сланцы. Прочие представители этого ряда являются экзотическими образованиями и в настоящее время промышленного значения не имеют, за исключением янтаря, который является главным образом ювелирным сырьем.

6.1. Ископаемые угли

Уголь – твердое горючее ископаемое осадочного происхождения. Основным направлением его промышленного использования является энергетическое. В значительных масштабах спекающиеся каменные угли перерабатываются для получения металлургического кокса. В более ограниченном объеме угли могут быть использованы для полукоксования, газификации и ожижения. При этом получаются жидкие и газообразные продукты разложения органического вещества углей, являющиеся ценным химическим сырьем. Кроме того, угли могут быть использованы для получения синтетического газообразного и жидкого топлива, пластических масс, разнообразных химических продуктов, буроугольного воска, высокоуглеродистых конструкционных и углеграфитовых материалов, азотистых и гуминовых удобрений и для других целей.

Возможно также применение золы, получаемой в результате сжигания углей, и отходов при их добыче и обогащении в производстве строительных материалов. Перспективным является получение из этих отходов глинозема, раскислителей, керамических, огнеупорных и абразивных материалов и другой продукции.

105

По составу исходного вещества угли подразделяются на гумусовые, сапропелевые (сапропелиты) и гумусово-сапро- пелевые (смешанные). Наибольшее распространение и промышленное значение имеют гумусовые угли, материнским веществом для которых является торф, используемые как энергетическое топливо и технологическое сырье. Исходным материалом сапропелитов служили останки низших растений (в том числе водорослей). Отмирая, они падали на дно водоема, где в смеси с неорганическим илом образовывали сапропель (гнилостный ил). В образовании гумусовых углей (гумолитов) принимали участие высшие растения (деревья, папоротники, мхи, трава и т.д.). Наиболее благоприятны для формирования исходного осадка гумолитов обстановка обильного и более или менее постоянного обводнения и равнинный рельеф (прибрежные зоны морей, лагун, озер, дельт и речных пойм). В таких зонах обстановка способствует возникновению болот с относительно постоянным уровнем питания водой.

Вусловиях обводнения, ограничивающего приток кислорода воздуха в осадок, происходит торфообразование, в ходе которого растительные вещества разлагаются при господствующей роли микроорганизмов. Этот биохимический процесс называется гумификациией, так как протекает он в направлении распада растительных веществ на воду, углекислый газ, метан и гумусовую кислоту. В условиях сильной обводненности и без доступа воздуха растительные вещества подвергаются гелефикации, т.е. превращению в гель – коллоидную массу. Степень превращения различна и зависит от свойств вещества и продолжительности (или интенсивности процесса) гелефикации. Наиболее легко подвержены гелефикации лигнин и целлюлоза, которые в конечной стадии превращаются в аморфную массу, являющуюся составной частью многих разновидностей угля. В промежуточных стадиях гелефикации эти вещества сохраняют форму и признаки первичной структуры.

Всубаэральных условиях (с периодическим или ограниченным доступом воздуха) растительные вещества подвергаются фюзенизации, в процессе которой те же лигнин и целлюлоза обезвоживаются, подсыхают и в той или иной степени окисляются (обугливаются), превращаясь в твердое вещество.

106

Процесс изменения осадка называется углефикацией. В начальную стадию углефикации осадок претерпевает диагенетические изменения: уплотнение, обезвоживание, цементацию

иполимеризацию. Рыхлая масса сокращается в объеме в 5–10 раз, теряет большую часть воды и становится связной; жидкие вещества превращаются в твердые, простые – в сложные (например, гумусовые кислоты превращается в твердое гуминовое вещество). Диагенетические изменения усиливаются метаморфизмом, степень которого возрастает с повышением температуры и давления по мере погружения угля на глубину

инакопления поверх него толщи пород.

Под действием факторов диагенеза и метаморфизма исходный осадок изменяется постепенно и необратимо с последовательным превращением торфа и сапропеля в бурый уголь, бурого угля – в каменный, каменного – в антрацит, а антрацита (в специфических геологических условиях) – в шунгит и графит. Степень метаморфизма зависит от геологических условий, в которых оказывается осадок после захоронения под кровлю, а не от времени и исходного материала.

В составе углей различают три основные части: влагу, органическую и минеральные массы. Содержание влаги (воды) в одном и том же угле может изменяться в зависимости от условий хранения.

Органическая масса углей состоит из углерода (60–96 %), водорода (1–12 %), кислорода (2–20 %), азота (1–3 %). Кроме того, в углях обязательно определяется количество сыры и фосфора.

Минеральные вещества в углях и породных прослоях представлены кварцем, глинистыми минералами, полевыми шпатами, пиритом, марказитом, карбонатами. Большая часть минеральных веществ при сжигании углей переходит в золу. Состав минеральных веществ определяет химический состав и технологические свойства золы, играет существенную роль в процессах энергетического и технологического использования углей, а также при определении возможности и целесообразности использования зол, отходов обогащения и шлаков для производства строительных материалов и глинозема.

В некоторых месторождениях в углях и вмещающих породах содержатся повышенные концентрации германия, галлия, урана, скандия, молибдена, свинца и цинка, промыш-

107

ленное извлечение которых может существенно увеличить экономический потенциал этих месторождений. Наличие в углях повышенных содержаний серы, а также других элементов, образующих при использовании высокотоксичные компоненты (ртуть, мышьяк, бериллий) при их сжигании может создать опасность загрязнения окружающей среды.

Цвет углей меняется в пределах бурых, серых и черных тонов. Блеск бурых углей матовый или тускло-блестящий, каменных – блестящий, антрацитов – сильно блестящий. Твердость (по шкале Мооса) – от 1 до 3 (бурый уголь – 1; каменные – 1,0–2,5; антрациты – до 3). Плотность бурых углей – 0,80–1,25 т/м3; каменных – 1,26–1,34 т/м3 и антрацита – 1,36–1,70–1,80 т/м3. Хрупкость у различных углей неодинаковая: одни разрушаются на мелкие кусочки при слабом механическом воздействии, другие – при весьма сильном. Первые называются хрупкими, вторые – вязкими.

Различают угли витреновые, фюзеновые, клареновые, дюреновые, кларено-дюреновые и дюрено-клареновые. Часто эти разновидности переслаиваются, образуя полосчатые угли. Важным свойством углей является их отражательная способность (Rо, %).

На средних стадиях углефикации угли приобретают свойства спекаться – переходить при нагревании без доступа воздуха в пластическое состояние и образовывать пористый продукт – кокс. Удельная теплота сгорания углей в пересчете на сухое беззольное состояние составляет 25–37 МДж/кг (6100–8800 ккал/кг), а в пересчете на рабочее топливо – 8–29 МДж/кг (1900-6900 ккал/кг).

Согласно ныне действующей классификации по генетическим и технологическим параметрам (ГОСТ 25543–2013) ископаемые угли подразделяются на три вида – бурые, каменные и антрациты в зависимости от величины среднего показателя отражения витринита (Ro, %), теплоты сгорания на влажное беззольное состояние (Qsaf, мдж/кг) и выхода летучих веществ на сухое беззольное состояние (Vdaf, %).

Каждый вид углей делится на ряд марок. Марки делятся на группы, группы – на подгруппы, типы и подтипы [15]. Бурые угли представлены одной маркой Б, антрациты также одной маркой А. В каменных углях выделяется 15 марок – длиннопламенные (Д), длиннопламенные газовые (ДГ), газовые (Г),

108

газовые жирные отощенные (ГЖО), газовые жирные (ГЖ), жирные (Ж), коксовые жирные (КС), коксовые (К), коксовые отощенные (КО), коксовые слабоспекающиеся низкометаморфизованные (КСН), коксовые слабоспекающиеся (КС), отощенные спекающиеся (ОС), тощие спекающиеся (ТС), слабоспекающиеся (СС), тощие (Т).

По гранулометрическому составу (т.е. крупности кусков) добываемой угольной массы угли делятся на ряд классов: плитный – П (100–200 мм); крупный – К (50–100 мм); орех – О (25–50 мм); мелкий – М (13–25 мм); семечко (6–13 мм); штыб (<6 мм); рядовой – Р (0–200–300 мм).

Согласно ГОСТ 25543–2013 каждому углю присваивается семизначный кодовый номер, в котором отражены его основные химико-технологические характеристики.

На основании анализа стратиграфического и географического распространения угольных бассейнов и месторождений геолог-угольщик П.И. Степанов в 1937 г. высказал гипотезу о существовании (в определенные геологические этапы развития Земли) максимумов угленакопления (эпох углеобразования), сменяющихся минимумами угленакопления. Первый максимум приурочен к верхнему карбону и пермскому периоду, второй – к верхней юре и нижнему мелу, третий – к верхнему мелу – палеогену и неогену. П.И. Степановым были намечены основные закономерности стратиграфического и географического распространения угленосных бассейнов и месторождений на территории СССР, причем установлено, что на территории от Урала до Сахалина угленакопление последовательно переходит в более высокие стратиграфические горизонты. Так, древнейшие каменноугольные месторождения расположены в пределах европейской части СССР (Донбасс, Подмосковный бассейн, Урал). К пермским бассейнам относятся Печорский, Кузнецкий, Минусинский, Таймырский, Тунгузский, Прииртышский, к юрским и меловым – Кан- ско-Ачинский, Иркутский, Ленский, Южно-Якутский, Буреинский, Сучанский и др. и к наиболее молодым меловым и палеоген-неогеновым – бассейны, расположенные на СевероВостоке, Дальнем Востоке и Сахалине.

Ископаемые угли залегают в виде пластов, пластообразных и линзовидных залежей. Размеры площадей непрерывного

109

распространения угольных пластов и залежей колеблются от нескольких единиц до десятков тысяч квадратных километров. Мощности пластов и залежей колеблются от десятков сантиметров до 200 м. Совместно с углями нередко залегают глины (в том числе огнеупорные), глинистые сланцы, известняки, мергели, опоки, иногда встречаются каолины. Эти породы могут иметь промышленное значение.

В практике разведки и разработки угольные пласты (залежи) подразделяются по мощности на весьма тонкие (<0,7 м), тонкие (0,71–1,20 м), средней мощности (1,21–3,50 м), мощные (3,51–15,00 м) и весьма мощные (>15 м). Выделяются пласты (залежи) простого строения (без породных прослоев), сложного строения (наличие небольшого числа породных прослоев) и очень сложного строения (пласты представлены переслаиванием многочисленных угольных слоев и породных прослоев). В зависимости от угла падения выделяют пласты с горизонтальным, пологим (до 18°), наклонным (19–35°), кру- то-наклонным (36–55°) и крутым (56–90°) залеганием.

6.2. Горючие сланцы

Горючие сланцы – глинистые, песчанистые и известковые горючие породы, содержащие органическое вещество и обладающие горючими свойствами. Они отличаются от ископаемых углей большей зольностью (от 50 до 80 %) и меньшей теплотворной способностью.

Из органических веществ в состав горючих сланцев входят петролены, битум, пиробитум, гумусовые вещества, карбоиды, из неорганических – алюмосиликаты, гидраты окислов железа, кальцит, гипс, пирит, сера и др. Различают следующие природные типы горючих сланцев, неравноценных в практическом отношении:

yy буроугольные и каменноугольные сланцы, органическое вещество которых тождественно гумусовому веществу бурых и каменных углей; зольность – 40–70 %;

yy углистые сланцы с высокой степенью карбонатизации органического вещества; зольность – 30–60 %;

yy кеннелевые (сапропелито-гумитовые) и богхедовые (сапропелитовые сланцы), органическое вещество которых тож-

110