Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы геологии угля и горючих сланцев. Учебное пособие
.pdf
31
4 Сапропелиты
К сапропелитам относится группа твердых полезных ископаемых, в образова-
нии которых главное участие принимают представители низших растений и живого
мира в виде планктона.
Сапропелиты делятся на современные сапропели и ископаемые сапропелиты.
К современным сапропелям относятся образования, которые еще сохранили
некоторые структурные формы или полностью их утеряли и превратились в бес-
структурную желеподобную массу. Сапропель образуется на дне водоема, часто в
основании торфяной залежи, жирную массу до нескольких метров толщины. По
внешнему виду это серо-коричневый ил с малым количеством углерода и повышенным содержанием кислорода (до 30 %), водорода и азота (5 – 8 %). Сапропель широко используется в медицине в виде лечебных грязей, в агрохимии – как стимуляторы роста растений, в животноводстве – как добавки к корму.
Ископаемые сапропелиты – залегают, как правило, в основании угольных пластов, мощность их не превышает 1 м. Состоят они из мелких водорослей, имеет се-
рый или буроватый цвет, слабо выраженную слоистость, имеют повышенное содер-
жание летучих веществ. Загораются от спички, при сгорании дают яркое коптящее
пламя, издавая запах жженой резины.
Сапропелиты залегают в виде маломощных прослоев незначительной протя-
женности и лишь редко образуют пачки промышленного значения. Являются цен-
ным химическим сырьем. Отдельные разности – гагат – используются в ювелирном
деле.
Горючие сланцы
Это осадочная порода глинистого, известковистого или кремнистого состава,
содержащая 10 – 15 % иногда до 80 % органического вещества. Сланцы имеют пониженное количество, по сравнению с углями углерода (50 – 80 %) и более высокое
32
содержание кислорода (до 9 %), водорода (до 11 %). Сланцы от сапропелитов отли-
чаются тем, что в их составе содержится большое количество тонкозернистого и об-
ломочного материала неорганического происхождения.
Большая площадь распространения сланценосных толщ, их выдержанное
строение указывает на то, что горючие сланцы формировались в условиях открыто-
го моря с нормальным газовым режимом при достаточном количестве низших орга-
низмов, растений и планктона.
Горючие сланцы широко распространены на территориях платформенного ти-
па, используются тепловыми электростанциями в качестве топлива, для получения
высококалорийного газа и в химической промышленности.
5 Метаморфизм углей и вмещающих пород
Процесс превращения торфа в бурый уголь называется диагенезом. Процесс
дальнейшего перехода бурого угля в каменный и далее в антрациты в результате из-
менения химического состава и физических свойств угля под влиянием преимуще-
ственно повышенных температуре и давлении – метаморфизм углей.
Комплекс вторичных процессов, наложенных на органическое вещество в
торфяном болоте, ведущее к преобразованию исходного ОВ в торф, бурый, каменный уголь и антрацит называется обуглероживанием или углефикацией.
Метаморфизм подразделяется на следующие виды: статический, региональ-
ный, контактный, внеконтактный, динамометаморфизм и радиогенный.
Статический метаморфизм – это преобразование углей под воздействием ста-
тического давления вышележащих пород. Роль давления более отчетливо наблюда-
ется на начальных стадиях преобразования органического вещества. Однозначного
количественного решения о значении давления в этом случае не имеется. Так,
например, угли на глубинах 5 км (Калифорнийский залив) принадлежат к бурым, а в
33
Подмосковском бассейне после перехода пластов на глубину 1,5 км становятся каменными углями.
Региональный метаморфизм происходит при одновременном воздействии на
угли температуры и давления в период погружения угленосной толщи. Вся гамма
углей от бурых до антрацитов образуется в интервале температур от 35 ºС до 300 ºС
и при статическом давлении до 250 и более МПа. Следует отметить, что большин-
ство исследователей считает, что именно региональные метаморфизм играет
наибольшую роль в процессе изменения ископаемых углей. Сущность этого вида
метаморфизма заключается в увеличении степени метаморфизма с повышением
стратиграфической глубины залегания угольных пластов (правило Хильта, 1823).
Для многих угольных бассейнов справедлива следующая закономерность. В
углях, залегающих в сходных тектонических условиях, с увеличением стратиграфи-
ческой глубины уменьшается содержание летучих веществ и увеличивается степень
обуглероженности. В некоторых случаях (Донецкий бассейн) можно даже устано-
вить градиент изменения содержания летучих компонентов.
Контактный метаморфизм проявляется при воздействии на угли вторгшихся
в угленосную толщу изверженных пород, за счет резкого повышения температуры
до 1200 ºС. При этом в зоне контакта угленосной толщи с магмой происходит небольшое преобразование углей, резко меняются физические и химические свойства.
Так, например, на месторождениях Тунгусского бассейна каменные угли на рассто-
янии 5-10 м от интрузии преобразованы в естественный кокс, антрацит и графит.
Если магма не имеет непосредственного контакта с угленосной толщей, то та-
кой вид воздействия на преобразование углей называется внеконтактным метамор-
физмом. Степень воздействия интрузивного тела на угли зависит от мощности, со-
става и расстояния от пласта угля.
При динамометаморфизме (дислокационном или тектоническом) особую
роль играет давление, оказывающее влияние на изменения углей. При этом угленос-
ная толща может испытывать и действие повышенных температур.
Радиогенный метаморфизм – это установленное в последнее время изменение
свойств углей под воздействием их облучения радиоактивными минералами. Радио-
34
генный метаморфизм не имеет регионального значения и проявляется на небольших
участках.
При метаморфизме изменения претерпевают не только угли, но и вмещающие
породы. Так глины преобразуются до глинистых сланцев и аргиллитов, пески пре-
вращаются в алевролиты и песчаники и т.д.
6 Свойства и классификация углей
Основные сведения о составе и технической ценности угля дает технический
анализ – определение основных показателей качества топлива: влажности, зольности, выхода летучих веществ, теплоты сгорания, содержание серы общей т др.
Основная задача технического анализа – наиболее полно и четко охарактери-
зовать необходимые химические, физические и эксплуатационные свойства добыва-
емого или используемого угля, с учетом специфических особенностей его назначе-
ния и применения. Для этого применяются следующие способы, методы и приемы
исследования.
Химические – используют классические приемы качественного, а главным об-
разом количественного гравиметрического и титриметрического анализа. К ним от-
носится определение влажности, зольности, содержания серы, летучих компонентов
и некоторые другие.
Физико-химические – используют методы спектрофотоколориметрии, потенциометрии, нефелометрии, атомно-абсорбционной и атомно-эмисионной спектроскопии, рентгенофлуоресцентные и т.д.
Физические – определение оптических характеристик, коэффициентов отра-
жения и преломления, плотности теплоты сгорания и т.д. Сюда же можно отнести
групповой анализ с применением экстракции.
35
Специальные методы – определение или испытание различных эксплуатаци-
онных свойств продукта: спекаемость, коксуемость, пластометрические и дилато-
метрические исследования и т.д.
6.1 Макроскопические свойства
При макроскопическом изучении угля визуально определяют его макро- и
микроструктуру – то есть их состав, форму и взаимоотношения в образце угля, слое
или пласте.
Блеск углей служит одним из главных диагностических признаков для клас-
сификации гумусовых углей. В зависимости от степени метаморфизма он изменяет-
ся от тусклого до ярко-стеклянного у углей более метаморфизованных, и до металлического блеска – у антрацитов.
Среди гуммитов (таблица 3) и различают 6 типов углей (в зависимости от ис-
ходного растительного материала, условий захоронения и дальнейшего преобразо-
вания) различимых невооруженным глазом по блеску (макроскопически): два про-
стых – витрен и фюзен, образованных из единого растительного обрывка, и четыре
сложных – кларен (блестящий), дюрено-кларен (полублестящий), кларено-дюрен
(полуматовый) и дюрен (матовый), которые состоят из нескольких разных мацера-
лов, различимых лишь под микроскопом.
Фюзен (fusus – вытянутый)– (матовый) обугленные остатки растительных тка-
ней, напоминают обычный древесный уголь, очень хрупок, пачкает пальцы, встре-
чается в виде тонких линзочек и примазок по плоскостям напластования в угле.
Дюрен (durus – твердый) – плотный матовый уголь, часто наслоистый, обычно
имеет зернистое строение, и, как правило, в противоположность фюзену слагает от-
дельные слои и пласты, имеет угловатый излом. Состоит из скоплений фюзенизиро-
ванных тканей, обрывков кутикулы, спор, смолы. В неоднородных дюренах встре-
36
чаются тонкие линзы и полоски блестящего угля (витрена) и матового (фюзена).
Преобладают мацералы группы инертинита и липтинита (до 70 %).
Витрен (vitreus - стеклянный) – наиболее блестящая часть угля, как правило,
резко отграниченная от других ингредиентов, встречается в виде более или менее
длинных однородных линз (мощностью обычно не более 1 – 3 см), полос и штрихов;
очень хрупок на изломе часто видны мелкая глазковая отдельность и раковистый
излом; каких-либо иных включений или ингредиентов не встречается. Витрен, в отличие от фюзена, представляет собой остатки растительной ткани, подвергшиеся
процессам остудневания, а не обугливания. Сложен, как правило, структурным и
бесструктурным витринитом.
Кларен (clarus – светлый)– блестящий или полублестящий уголь; подобно дю-
рену может залегать мощными прослойками даже нацело слагать пласты угля;
включает небольшие линзы витрена и фюзена; обычно слоистый, менее блестящий
и менее хрупкий по сравнению с витреном, имеет раковистый излом. В проходящем
свете в тонких шлифах он обладает красно-бурым цветом. Состоит из скоплений ге-
лифицированных стеблевых остатков с незначительной примесью спор и обрывков
кутикулы, заключенных в гелифицированной основной массе. Преобладают мацералы группы витринита (до 75 %).
Все различия улей определяются: их происхождением, отражающимися на
петрографическом составе, степенью метаморфизма, которая определяется физиче-
скими, химическими и петрографическими показателями и зольностью.
Цвет ископаемых углей – меняется у разных типов от серо-коричневого до
черного при высокой степени метаморфизации. У сапропелевых углей цвет может
иметь зеленоватый или желто-коричневый оттенок.
Структура углей определяется количеством, формой, размером и характером
чередования прослоев в пласте угля. Выделят структуры четырех типов: однород-
ную, полосчатую, тонко-полосчатую и линзовидно-полосчатую.
К полосчатой структуре относят прослои угля толщиной более 50 мкм, к тонко-полосчатой – менее 50 мкм. В полосчатых углях участвуют в различных комби-
нациях простые ингредиенты: витрен и фюзен. Для сапропелитов характерно нали-
37
чие значительного количества остатков водорослей (богхед) или желтой бесструк-
турной основной массы (сапроколлит).
Линзовидно-полосчатая структура отличается тем, что полоски имеют короткую линзовидную форму и волнистое залегание.
Текстура углей характеризует условия образования углей. Выделяются слои-
стая и массивная структуры.
Слоистая структура связана с неравномерностью отложения угольного веще-
ства, вследствие чего происходит замена растительного материала минеральными
отложениями.
Массивное отложение объясняется наличием однородных условий образова-
ния угля. Массивная структура характерна для сапропелевых углей. Для бурых уг-
лей характерна рыхлая, землистая структура.
Твердость минералогическая углей измеряется по шкале Мооса. У бурых уг-
лей она составляет 2, у каменных углей увеличивается до 3,5 и до 4 – у антрацита.
Трещиноватость углей по генетическому типу разделяют на первичную, вто-
ричную и трещиноватость выветривания (гипергенную).
Первичная трещиноватость вызвана сокращением объема угольного вещества
в процессе метаморфизма. При этом трещины располагаются перпендикулярны к
наслоению.
Вторичная трещиноватость обусловлена возникающими при тектонических
процессах напряжениями: при сжатии трещины образуются под разными углами к
слоистости, при растяжении – обычно перпендикулярно к ней.
Гипергенные трещины образуются при выветривании углей, их форма и число
зависит от глубины этого процесса.
38
6.2 Химические свойства углей
При изучении химических свойств углей производят технический анализ, эле-
ментный анализ и определение коксуемости.
При техническом анализе в стандартных условиях определяют следующие па-
раметры: влажность, зольность, выход летучих веществ, содержание серы, теплоту
сгорания, характер коксового остатка.
В угле различают органическую и неорганическую часть (массу). Для харак-
теристики органической массы угля определяют элементный состав: соотношение
углерода, водорода, кислорода, азота, серы. Для полной оценки генетических и тех-
нологических особенностей топлива дополнительно проводят групповой анализ,
анализ свойств угля при термическом воздействии, определяют состав и выход ле-
тучих продуктов термического разложения, состав и свойства минеральной части
углей. Неорганическую часть составляют влага, минеральные примеси, различные
неорганические соединения серы, фосфора. Кроме того, для углей, богатых редкими
и цветными металлами, определяется содержание последних.
Влага и зола угля понижают теплоту сгорания и считаются балластом, остальная часть называется горючей массой.
Различают следующие виды влаги в углях: внешнюю, общую, влагу воздушно-сухого топлива (Wh), аналитическую (W a) и др.
Приведенное в равновесие с окружающим воздухом топливо называется воз-
душно-сухим. Влага, которая при этом удаляется, называется внешней и обозначается Wex. Таким образом, внешняя влага – часть общей влаги угля (Wt), которая удаляется при доведении его до воздушно-сухого состояния. Содержание общей влаги в
рабочем состоянии топлива вычисляется по формуле:
W
r
t
= W
r
+ Wh ( 100 - W
ex
r
/ 100)
ex
39
Показатель «влага общая», так же как и показатель «влага внешняя», исполь-
Термины
Верхний
индекс
Определение
Рабочее состо-
яние
r
Топливо с таким содержанием влаги и зольности,
с которыми оно добывается, отгружается и ис-
пользуется
Аналитическое
состояние
a
Топливо с крупностью частиц менее 0,2 мм, при-
веденное в равновесие с условиями лабораторного
помещения
Сухое состоя-
ние
d
Состояние топлива без содержание общей влаги
(кроме гидратной)
Сухое беззоль-
ное состояние
daf
Условное состояние топлива, не содержащего
общей влаги и золы
Органическая
масса топлива
o
Условное состояние топлива без содержания вла-
ги и минеральной массы
Влажное без-
зольное состо-
яние
af
Условное состояние топлива без содержания зо-
лы, но с влажностью, соответствующей данному
состоянию топлива
зуется для оценки технологических свойств угля.
Влажность лабораторная или аналитическая – это влага, которая сохраняется
при нагревании угля до 105 °С.
Термины, определения и обозначения различных состояний топлива сведены в
таблицу 8.
Таблица 8 – Определения различных состояний топлива (ГОСТ 27313-95
(ИСО 1170-77))
Содержание рабочей влажности в торфе достигает 90 %, в бурых углях до
60 %, в каменных – 15 %, в антраците – до 3 %.
Для пересчета влажности для различных состояний топлива применяют фор-
мулы, приведенные в таблице 9.
Минеральные вещества углей имеют различное происхождение и могут быть
разделены на внутренние и внешние. Внутренние минеральные вещества образова-
лись из минеральной части растений, которые послужили материалом для формиро-
вания угля. Это наименьшая часть примесей угля.
40
Таблица 9 – Формулы пересчета результатов анализа влажности топлива для
Состояние топ-
лива
Пересчет в состояние топлива
Рабочее, r
Аналитиче-
ское, а
Сухое,
d
Сухое без-
зольное, daf
Органическая
масса,o
Рабочее, r
1
r
t
a
WW
100
100
r
t
W100
100
)(100
100
rr
t
AW
)(100
100
rr
t
MW
Аналитическое,
а
a
r
t
WW
100
100
1
a
W100
100
)(100
100
aa
AW
)(100
100
aa
MW
Сухое,d
100
100
r
t
W
100
100aW
1
d
A100
100
d
M100
100
Сухое беззоль-
ное, daf
100
)(100
rr
t
AW
100
)(100
aa
AW
100
100dA
1
d
d
MA
100
100
Органическая
масса, o
100
)(100
rr
t
MW
100
)(100
aa
MW
100
100dM
d
d
AM
100
100
1
различных его состояний
Внешние минеральные вещества попадают в уголь из окружающих пород,
грунтовых вод. Минеральные вещества угля представлены разнообразными элемен-
тами. На 95 % они состоят из соединений кремния, алюминия (оксиды, алюмосили-
каты), железа (сульфиды, оксиды, карбонаты), кальция и магния (карбонаты сульфа-
ты). В небольшом количестве содержатся соединения калия, натрия, редкие и рассе-
янные элементы, а также благородные металлы. Минеральные примеси в угле весь-
ма нежелательны. Они вызывают излишние затраты на перевозку угля, при сжига-
нии угля снижают теплоту его сгорания.
Непосредственное определение минеральных веществ угля представляет
большие трудности ввиду сложности их состава. В аналитической практике о со-
держании минеральных веществ в угле принято судить косвенно по количеству зо-
лы, которая остается после сгорания угля при свободном доступе воздуха. Зола –
твердый негорючий остаток, получающийся при сжигании угля. Зольность обозна-
чается индексом А.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]