Wydobywanie węgla
Metody wydobycia węgla zależą od głębokości jego występowania. Zagospodarowanie odbywa się w sposób otwarty w kopalniach węgla, o ile głębokość pokładu węgla nie przekracza stu metrów. Często zdarzają się również przypadki, kiedy przy coraz większym pogłębieniu wyrobiska węglowego korzystne jest zagospodarowanie złoża węgla metodą podziemną. Kopalnie służą do wydobywania węgla z dużych głębokości. Najgłębsze kopalnie w Federacji Rosyjskiej wydobywają węgiel z poziomu nieco ponad tysiąca dwustu metrów.
W konwencjonalnej produkcji górniczej około 40% węgla nie jest wydobywane. Zastosowanie nowych metod wydobycia – ścianowych – pozwala na wydobycie większej ilości węgla.
Wraz z węglem złoża węglonośne zawierają wiele rodzajów geozasobów o znaczeniu konsumenckim. Obejmują one skały macierzyste jako surowce dla budownictwa, wody gruntowe, metan z pokładów węgla, pierwiastki rzadkie i śladowe, w tym cenne metale i ich związki. Na przykład niektóre węgle są wzbogacone germanem.
osiągnęła najwyższy poziom 8254,9 mln ton w 2013 roku.
formacja węgla
W różnych czasach iw różnych miejscach geologicznej przeszłości Ziemi na nizinach podmokłych istniały gęste lasy. Ze względu na naturalne procesy, takie jak powodzie, lasy te zostały zakopane pod ziemią. Wraz ze wzrostem warstwy gleby nad nimi wzrastało ciśnienie. Temperatura również rosła, gdy spadała. W takich warunkach materiał roślinny był chroniony przed biodegradacją i utlenianiem. Węgiel sekwestrowany przez rośliny na ogromnych torfowiskach został ostatecznie przykryty i głęboko zakopany przez osady. Pod wpływem wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury martwa roślinność stopniowo zamienia się w węgiel. Ponieważ węgiel drzewny składa się głównie z węgla, przemiana martwej roślinności w węgiel drzewny nazywana jest karbonizacją.
Węgiel powstaje, gdy gnijący materiał roślinny gromadzi się szybciej, niż może zostać rozłożony przez bakterie. Idealne środowisko do tego powstaje na bagnach, gdzie stojąca woda, uboga w tlen, uniemożliwia żywotną aktywność bakterii, a tym samym chroni masę roślinną przed całkowitym zniszczeniem. Na pewnym etapie procesu uwolnione kwasy uniemożliwiają dalszą aktywność bakterii. Oto jak torf - wyjściowy produkt do formowania węgla. Jeśli następnie zostanie zakopany pod innymi osadami, to torf ulega ściśnięciu i tracąc wodę i gazy zamienia się w węgiel.
Pod naciskiem warstw osadów o miąższości kilometra, z 20-metrowej warstwy torfu powstaje warstwa węgla brunatnego o grubości 4 metrów. Jeśli głębokość zakopania materiału roślinnego osiągnie trzy kilometry, ta sama warstwa torfu zamieni się w warstwę węgla o grubości 2 metrów. Na większej głębokości, około sześciu kilometrów, i przy wyższej temperaturze 20-metrowa warstwa torfu staje się warstwą antracytu o grubości 1,5 metra.
Do powstania węgla niezbędna jest obfita akumulacja masy roślinnej. W pradawnych torfowiskach, począwszy od okresu dewonu (około 400 mln lat temu), gromadziła się materia organiczna, z której bez dostępu tlenu powstawały węgle kopalne. Większość komercyjnych złóż węgla kopalnego pochodzi z tego okresu, chociaż istnieją również młodsze złoża. Wiek najstarszych węgli szacuje się na około 300-400 milionów lat.
Tworzenie się dużych ilości węgla najprawdopodobniej ustało po pojawieniu się grzybów, ponieważ biała zgnilizna grzybów całkowicie rozkłada ligninę.
Szerokie, płytkie morza karbonu stwarzały idealne warunki do formowania się węgla, chociaż węgle są znane z większości okresów geologicznych.Wyjątkiem jest luka węglowa podczas wymierania permsko-triasowego, gdzie węgiel jest rzadkością. Uważa się, że węgiel znaleziony w warstwach prekambryjskich, które poprzedzają rośliny lądowe, pochodzi z pozostałości alg.
W wyniku ruchu skorupy ziemskiej pokłady węgla unosiły się i fałdowały. Z biegiem czasu części wypiętrzone uległy zniszczeniu w wyniku erozji lub samozapłonu, natomiast obniżone zachowały się w szerokich płytkich basenach, gdzie węgiel znajduje się co najmniej 900 metrów nad powierzchnią ziemi. Powstawanie najgrubszych pokładów węgla wiąże się z obszarami powierzchni ziemi, na których obszarze miały miejsce odpływy znacznych objętości mas bitumicznych, jak np. w Hat Creek (angielski) rosyjski. (Kanada), łączna miąższość pakietu pokładów węgla sięga 450 m.
Wpływ na środowisko i zdrowie górników
Węgiel kopalny zawiera szkodliwe metale ciężkie, takie jak rtęć i kadm (stężenie od 0,0001 do 0,01% masy)[źródło nieokreślone 2077 dni].
Podczas podziemnego wydobycia węgla zawartość pyłu w powietrzu może setki razy przekraczać MPC. W warunkach pracy, jakie panują w kopalniach, ciągłe noszenie masek jest praktycznie niemożliwe (przy każdym silnym zanieczyszczeniu wymagają one szybkiej wymiany w celu wyczyszczenia nowych masek, nie pozwalają na komunikację itp.), co nie pozwala na ich używanie jako środek niezawodnej profilaktyki nieodwracalnych i nieuleczalnych chorób zawodowych - krzemicy, pylicy płuc (itp.). Dlatego w celu niezawodnej ochrony zdrowia górników i pracowników zakładów przetwórstwa węgla w Stanach Zjednoczonych stosuje się skuteczniejsze środki ochrony zbiorowej.
Klasyfikacja, rodzaje
Węgiel dzieli się na błyszczące, półbłyszczące, półmatowe, matowe. Z reguły błyszczące rodzaje węgla są niskopopiołowe ze względu na niewielką zawartość zanieczyszczeń mineralnych.
Wśród struktur materii organicznej węgla wyróżnia się 4 typy (telinit, posttelinit, prekolinit i kolinit), które są kolejnymi etapami jednego procesu rozkładu lignin - tkanek celulozowych. Do grup genetycznych węgla kamiennego oprócz tych czterech rodzajów zalicza się dodatkowo węgiel leuptynit. Każda z pięciu grup genetycznych w zależności od rodzaju substancji mikroskładników węgla podzielona jest na odpowiadające jej klasy.
Istnieje wiele rodzajów klasyfikacji węgla: według składu materiałowego, składu petrograficznego, genetycznego, chemiczno-technologicznego, przemysłowego i mieszanego. Klasyfikacje genetyczne charakteryzują warunki akumulacji węgla, rzeczywiste i petrograficzne – jego skład materiałowy i petrograficzny, chemiczno-technologiczne – skład chemiczny węgla, procesy formowania i przeróbki przemysłowej, przemysłowo – technologiczne grupowanie rodzajów węgla w zależności od wymagań przemysł. Do scharakteryzowania złóż węgla stosuje się klasyfikacje węgla w pokładach.
Klasyfikacja przemysłowa węgla
Klasyfikacja przemysłowa węgla kamiennego w poszczególnych krajach opiera się na różnych parametrach właściwości i składu węgla: w USA węgiel kamienny klasyfikuje się według ciepła spalania, zawartości węgla związanego i względnej zawartości substancji lotnych, w Japonii - według ciepła spalania, tzw. współczynników paliwowych i wytrzymałości koksu, czyli niezdolności do koksu. W ZSRR tzw. klasyfikacja doniecka opracowana w roku przez VS Kryma była główną klasyfikacją przemysłową. Bywa nazywana „markową”, a jednocześnie genetyczną, ponieważ zmiany właściwości węgla przyjmowane za jego podstawę odzwierciedlają ich związek z genetycznym rozwojem materii organicznej węgla.
depozyty
| Kraj | Węgiel | brązowy węgiel | Całkowity | % |
|---|---|---|---|---|
| USA | 111 338 | 135 305 | 246 643 | 27,1 |
| Rosja | 49 088 | 107 922 | 157 010 | 17,3 |
| Chiny | 62 200 | 52 300 | 114 500 | 12,6 |
| Indie | 90 085 | 2360 | 92 445 | 10,2 |
| Australia | 38 600 | 39 900 | 78 500 | 8,6 |
| Afryka Południowa | 48 750 | 48 750 | 5,4 | |
| Ukraina | 16 274 | 17 879 | 34 153 | 3,8 |
| Kazachstan | 28 151 | 3128 | 31 279 | 3,4 |
| Polska | 14 000 | 14 000 | 1,5 | |
| Brazylia | 10 113 | 10 113 | 1,1 | |
| Niemcy | 183 | 6556 | 6739 | 0,7 |
| Kolumbia | 6230 | 381 | 6611 | 0,7 |
| Kanada | 3471 | 3107 | 6578 | 0,7 |
| Czech | 2094 | 3458 | 5552 | 0,6 |
| Indonezja | 740 | 4228 | 4968 | 0,5 |
| indyk | 278 | 3908 | 4186 | 0,5 |
| Madagaskar | 198 | 3159 | 3357 | 0,4 |
| Pakistan | 3050 | 3050 | 0,3 | |
| Bułgaria | 4 | 2183 | 2187 | 0,2 |
| Tajlandia | 1354 | 1354 | 0,1 | |
| Korea Północna | 300 | 300 | 600 | 0,1 |
| Nowa Zelandia | 33 | 538 | 571 | 0,1 |
| Hiszpania | 200 | 330 | 530 | 0,1 |
| Zimbabwe | 502 | 502 | 0,1 | |
| Rumunia | 22 | 472 | 494 | 0,1 |
| Wenezuela | 479 | 479 | 0,1 | |
| Całkowity | 478 771 | 430 293 | 909 064 | 100,0 |
Węgiel kamienny jest skoncentrowany w donieckim zagłębiu węglowym i lwowsko-wołyńskim zagłębiu węglowym (Ukraina); Karaganda (Kazachstan); Południowy Jakuck, Minusinsk, Bureinsky, Tungussky, Lensky, Taimyrsky (Rosja); Appalachów, Pensylwanii (Ameryka Północna), Dolnej Nadrenii-Westfalii (Ruhr - Niemcy); Górnośląskie, Ostrava-Karvinsky (Czechy i Polska); Basen Shanxi (Chiny), Basen Południowej Walii (Wielka Brytania).
Wśród największych zagłębi węglowych, których rozwój przemysłowy rozpoczął się w XVIII-XIX wieku, wyróżnia się centralną Anglię, południową Walię, Szkocję i Newcastle (Wielka Brytania); Baseny Westfalii (Zagłębie Ruhry) i Saarbrücken (Niemcy); złoża Belgii i północnej Francji; baseny Saint-Etienne (Francja); Śląsk (Polska); Dorzecze Doniecka (Ukraina).
Edukacja
Węgiel powstaje z produktów rozkładu organicznych szczątków roślin, które uległy przemianom (metamorfizmowi) w warunkach wysokiego ciśnienia otaczających skał skorupy ziemskiej i stosunkowo wysokich temperatur.
Gdy warstwa węglonośna jest zanurzona na głębokość w warunkach wzrastającego ciśnienia i temperatury, następuje konsekwentna przemiana masy organicznej, zmiana jej składu chemicznego, właściwości fizycznych i struktury molekularnej. Wszystkie te przemiany określa się mianem „regionalnego metamorfizmu węgla”. W końcowym (najwyższym) etapie metamorfizmu węgiel zamienia się w antracyt o wyraźnej strukturze krystalicznej grafitu. Oprócz metamorfizmu regionalnego czasami (rzadziej) zachodzą przekształcenia pod wpływem ciepła ze skał magmowych położonych przy warstwach węglonośnych (nad nimi lub pod nimi) – metamorfizm termiczny, a także bezpośrednio w pokładach węgla – metamorfizm kontaktowy. Wzrost stopnia metamorfizmu w materii organicznej węgla jest śledzony przez konsekwentny wzrost względnej zawartości węgla oraz spadek zawartości tlenu i wodoru. Konsekwentnie spada uzysk substancji lotnych (od 50 do 8% w przeliczeniu na suchy stan bezpopiołowy), zmienia się również ciepło spalania, zdolność do spiekania i właściwości fizyczne węgla. W szczególności połysk, współczynnik odbicia, gęstość nasypowa węgla i inne właściwości zmieniają się liniowo. Inne ważne właściwości fizyczne (porowatość, gęstość, zbrylanie, ciepło spalania, właściwości sprężyste itp.) zmieniają się zgodnie z wyraźnymi prawami parabolicznymi lub mieszanymi.
Jako kryterium optyczne dla stadium metamorfizmu węgla stosuje się współczynnik odbicia; jest również stosowany w geologii naftowej do ustalenia etapu przemian katagenicznych warstw osadowych. Współczynnik odbicia w zanurzeniu w oleju (R0) konsekwentnie wzrasta od 0,5-0,65% dla węgla gatunku D do 2-2,5% dla węgla gatunku T.
Gęstość i porowatość węgla zależą od składu petrograficznego, ilości i charakteru zanieczyszczeń mineralnych oraz stopnia metamorfizmu. Największą gęstością (1300–1500 kg/m³), a najmniejszą (1280–1300 kg/m³) charakteryzują się składniki z grupy fuzynitu. Zmiana gęstości wraz ze wzrostem stopnia metamorfizmu występuje w prawie parabolicznym z inwersją w strefie przejścia do grupy tłuszczowej; w przejawach niskopopiołowych zmniejsza się od węgla klasy D do klasy Zh średnio od 1370 do 1280 kg/m³, a następnie sukcesywnie wzrasta dla węgla klasy T do 1340 kg/m³.
Całkowita porowatość węgla również zmienia się zgodnie z ekstremalnymi prawami; dla węgla donieckiego gat. D wynosi 14-22%, gat. K 4-8% i wzrasta (prawdopodobnie wskutek spulchniania) do 10-15% dla węgla klasy T.Pory w węglu dzielą się na makropory (średnia średnica 500×10–10 m) i mikropory (5–15×10–10 m). Lukę zajmują mezopory. Porowatość zmniejsza się wraz ze wzrostem stadium metamorfizmu. Szczelinowanie endogeniczne (powstające podczas formowania się węgla), które szacuje się liczbą pęknięć na każde 5 cm węgla błyszczącego, zależy od etapu metamorfizmu węgla: wzrasta do 12 pęknięć podczas przejścia węgla brunatnego w długopłomieniowy węgla i ma maksimum 35-60 dla węgla koksowego i sukcesywnie zmniejsza się do 12-15 pęknięć w przejściu do antracytu. Temu samemu schematowi zmian właściwości sprężystych węgla podlegają moduł Younga, współczynnik Poissona, moduł ścinania (ścinania) i prędkość ultradźwięków. Wytrzymałość mechaniczna węgla kamiennego charakteryzuje się podatnością na kruszenie, kruchością i twardością oraz chwilową wytrzymałością na ściskanie.
Stosowanie
Węgiel kamienny jest wykorzystywany jako surowiec technologiczny, energetyczno-technologiczny i energetyczny, przy produkcji koksu i półkoksu w związku z wytwarzaniem z nich dużej ilości produktów chemicznych (naftalen, fenol, smoła itp.), na podstawie których nawozy, tworzywa sztuczne, włókna syntetyczne, lakiery, farby i tak dalej.
Jednym z najbardziej obiecujących obszarów wykorzystania węgla jest upłynnianie (uwodornianie węgla) do produkcji paliwa płynnego. Istnieją różne schematy nieenergetycznego wykorzystania węgla kamiennego oparte na przetwarzaniu termochemicznym, chemicznym i innym w celu ich pełnego zintegrowanego wykorzystania i zapewnienia ochrony środowiska.
