
Вугілля
В
угілля,
Викопне вугілля (рос. уголь ископаемый,
англ. fossil coal (mineral), нім. fossile Kohle f) — тверда
осадова порода, горюча копалина, утворена
шляхом вуглефікації рослинних
залишків.
Характеристика
Колір
— від бурого до чорного. Густина 0,92—1,7,
твердість 1—3. Виділяють гумоліти
(вугілля кам'яне, вугілля буре та
антрацити), сапропеліти й сапрогумоліти.
Викопне вугілля — один з найбільш
поширених видів корисних копалин, вони
виявлені на всіх континентах земної
кулі. Відомо близько 3000 вугільних родовищ
і басейнів. Існують різні оцінки загальних
світових запасів викопного вугілля —
від 3,7 до 16 і більше трлн. т (станом на
1990 р.). Викопне вугілля складає близько
87,5 % викопного палива Землі. Розвідані
запаси вугілля Світовим енергетичним
конгресом 1998 р. в млрд. т. у. п. були оцінені
так: світові — 799,8; Європа — 72,6; Україна
— 34,0. У світовому паливно-енергетичному
балансі викопне вугілля складає близько
25 %.
Викопне вугілля — переважно
чорна, блискуча, тьмяно-блискуча, матова
речовина, що характеризується різними
відтінками кольору і блиску, різною
текстурою (землистою, шаруватою,
монолітною) та структурою (смугастою,
штриховою, однорідною та ін.) та поверхнею
зламу (зернистою, гладенькою, напівраковинною
та ін.), різною тріщинністю з плитчастою,
кутасто-грудкуватою та ін. відмінами;
поодинокими включеннями вуглефікованих
фрагментів різних частин рослин;
прошарками осадових порід та мінеральних
включень. У складі викопного вугілля
виділяють фітерали (залишки рослинного
матеріалу) та мацерали (вуглеутворюючі
компоненти).
Основні компоненти
вугілля: органічна речовина, мінеральні
домішки і волога. Маса органічної
речовини становить 50-97 % від загальної
маси сухого вугілля. Хімічний склад
органічної частини вугілля включає C,
H, O, S, N та ін. хімічні елементи. Переважає
вуглець, на частку якого припадає 60-98 %
маси вугільної речовини. Мінеральні
домішки розсіяні в органічній масі у
вигляді кристалів, конкрецій, тонких
прошарків і лінз. Найбільш поширені
глинисті мінерали; вміст їх в середньому
становить 60-80 % від загальної маси
неорганічного матеріалу. Підлегле
значення мають карбонати, сульфіди
заліза і кварц. У незначних кількостях
містяться сульфіди кольорових і рідкісних
металів, фосфати, сульфати, солі лужних
металів. Відносний вміст мінеральних
домішок в сухій речовині вугілля
коливається в широких межах (зольність
50-60 %). Волога вугілля в основному
сорбційна, капілярна та порова, частково
волога входить до складу органічної
маси або міститься в кристалізаційних
ґратках мінералів (пірогенетична
волога). Масова частка сумарної вологи
коливається від 60 % в м'яких пухких до
16 % в щільному бурому вугіллі, знижуючись
до 6-10 % в кам'яному вугіллі і антрацитах.
Мінімальну вологість (до 4 %) має
середньометаморфізоване кам'яне вугілля.
Величина цього показника — один з
основних параметрів класифікації бурого
вугілля. Вища теплота згоряння сухого
беззольного вугілля коливається в межах
(МДж/кг): для бурих 25,5-32,6, для кам'яних
30,5-36,2 і для антрацитів 35,6 33,9. Нижча
теплота згоряння в перерахунку на робоче
паливо (МДж/кг): 6,1-18,8 для бурого вугілля,
22,0-22,5 для кам'яного вугілля і 20-26 для
антрацитів.
Фізичні властивості вугілля
Під фізичними властивостями твердих тіл розуміється їх специфічна поведінка при впливі певних сил і полів. Існує три основних способи впливу на тверді тіла, відповідні трьом основним видам енергії: механічний, термічний і електромагнітний. Відповідно виділяють три основних групи фізичних властивостей. Механічні властивості зв'язують механічні напруження і деформації тіла, які відповідно до результатів широких досліджень механічних і реологічних властивостей твердих тіл, виконаних школою академіка П.О. Ребіндера, можна поділити на пружні, міцнісні, реологічні і технологічні. Крім того при впливі на тверді тіла рідин або газів виявляються їх гідравлічні і газодинамічні властивості. До термічних відносять властивості, які виявляються у вугіллі під впливом теплових полів, а до електромагнітних – властивості, які виявляються при впливі на вугілля електричних, магнітних полів і електромагнітних коливань. До електромагнітних властивостей умовно можна віднести радіаційні, котрі проявляються при впливі на вугілля потоків мікрочастинок або електромагнітних хвиль значної жорсткості (рентгенівські, гамма-промені). Питомий електроопір підвищується з переходом від бурого до кам'яного вугілля і досягає максимуму на середній стадії вуглефікації (Сdaf =87%), а потім меншає із зростанням ступеня метаморфізму, складаючи у антрацитів 102-103 Ом•см. Окиснення вугілля приводить до значного зниження його опору при температурах до 100°С, коефіцієнт анізотропії кам'яного вугілля становить 1,73-2,55, антрациту 2,00-2,55. Нечисленні досліди показали, що опір цілика і порошку вугілля практично співпадають. Питомий електричний опір зростає із збільшенням зольності. Фізичні властивості вугілля зумовлені їх хімічним складом, структурою і надмолекулярною організацією.
Фізико-механічні властивості вугілля
Основні фізико-механічні властивості вугілля:
а) пружність – здатність відновлювати свої первинні розміри після зняття навантаження; б) пластичність – здатність зберігати деформацію аж до межі текучості після зняття навантаження; в) твердість – здатність чинити опір пружним і пластичним деформаціям при місцевій силовій дії на поверхню тіла; г) міцність – здатність чинити опір руйнуванню під дією напружень; д) крихкість – здатність руйнуватися без помітного поглинання енергії; е) дробимість – властивість, що визначається сукупністю твердості, в’язкості і тріщинуватості; ж) тривкість – умовне поняття, яке символізує сукупність механічних властивостей і виявляється в різних технологічних процесах при видобутку і переробці вугілля.
Утворення вугілля
Вуглеутворення (рос. углеобразование, англ. coalification; нім. Kohlenbildund) — послідовне перетворення відмерлих рослин у викопне вугілля. Стадії У загальному процесі вуглеутворення виділяють дві фази: торфоутворення і вуглефікацію. Ідеальним середовищем торфоутворення були болота з водою, збідненою киснем з лужною рН. Торф, який утворився в результаті біохімічних реакцій залишків вищих наземних рослин, був вихідним матеріалом основної маси викопного вугілля — гумолітів. Основними процесами перетворення рослинних залишків у першій фазі вуглеутворення були:
геліфікація лігніно-целюлозних тканин рослин в анаеробних умовах і перехід продуктів розкладу цих тканин до колоїдного стану з подальшим обезводненням і затвердінням гелів і утворенням однорідної маси, яка цементувала інші компоненти;
фюзенізація — обезводнення і окиснення в аеробних умовах лігніно-целюлозних тканин і продуктів первинної їх геліфікації з частковим обвуглюванням рослинного матеріалу;
елювіація — винесення з торфу проточними водами колоїдних продуктів, що супроводжувалося збагаченням торфу ліпоїдними стійкими до розкладу компонентами рослин;
ілювіація — привнесення на площу торфяника розчинених гумінових речовин;
бітумінізація — анаеробний процес розкладу багатих на жири і білки речовинних комплексів нижчих рослин і відмерлих мікроорганізмів (зоопланктону), який призводив до утворення сапропелю — основного вихідного матеріалу сапропелітів, та сапрогумолітів.
Друга фаза вуглеутворення - вуглефікація — починалася і протікала після поховання торфу в надрах Землі (перекриття його кластичними осадами). У результаті діагенезу торф перетворювався у м'яке буре вугілля. Наступний метаморфізм привів до формування широкого спектра природних різновидів викопного вугілля — від бурого вугілля до суперантрацитів. Вуглеутворення — регіональний процес, який протікав з різною інтенсивністю в окремі періоди геологічної історії Землі на великих площах і локальних ділянках всіх континентів, де виникало сприятливе поєднання фітологічних, кліматичних, палеогеографічних і геотектонічних передумов. Початок масштабного вуглеутворення датується середнім девоном. Природним завершенням девоном був процес руйнування вугленосних формацій, що стали внаслідок загального підйому материків і горотворчих процесів областю розмиву. Цей процес особливо виразно виявився у верхньопалеозойських кам'яновугільних басейнах, які сформувалися в складних авлакогенах (Донбас), великих глибоких прогинах пригеосинклінальних і складчастих областей (Кузнецький, Горлівський, Карагандинський бас.). Паралічний тип вуглеутворення ПАРАЛІЧНИЙ ТИП ВУГЛЕУТВОРЕННЯ, (рос. паралический тип углеобразования, англ. paralic type of carbonification; нім. paralischer Kohlenbildungstyp m, parali¬sche Kohlenbildung f) – вуглеутворення, що відбувалося в прибережно-морських умовах. Для нього характерна багаторазова циклічна зміна континентальних і типово морських прибережних осадів; останні представлені вапняками і глинистими сланцями, розвиненими перев. в покрівлі вугільних пластів. Спостерігаються в Донецькому, Нижньорейнсько-Вестфальському, Верхньосілезькому, Аппалачському, Іллінойському і ін. басейнах.