II. Происхождение, состав и свойства

По составу основного компонента — органического вещества — Угли ископаемые подразделяются на 3 генетические группы: гумолиты (гумусовые угли), сапропелиты и сапрогумолиты. Преобладают гумолиты, исходным материалом которых явились остатки высших наземных растений. Отложение их происходило преимущественно в болотах, занимавших низменные побережья морей, заливов, лагун, пресноводных бассейнов (озёр и рек) — автохтонное накопление; более ограниченным было отложение при сносе с прилегающих участков суши в застойные водные бассейны растительного материала и продуктов его преобразования — аллохтонное накопление. Накапливавшийся растительный материал в результате биохимического разложения перерабатывался в торф; при этом значительное влияние оказывали обводнённость и химический состав водной среды. Анаэробные (в водной среде) условия приводили к гелификации органического материала — основы образования блестящих — витринитовых, или гелинитовых, углей; аэробные условия и окислительная среда способствовали фюзенизации тканей — образованию волокнистых и сажистых фюзинитовых углей. Элювиация — вымывание проточными водами продуктов окисления лигнино-целлюлозных тканей — сопровождалась обогащением органической массы остатками наиболее устойчивых частей растений (оболочками спор, кутикулой, смоляными тельцами, пробковой тканью коры и т.п.), характерных для матовых лейптинитовых углей. Угли, сложенные почти полностью стойкими форменными элементами (растительными остатками, сохранившими своё строение и очертания), выделяются в особую группу — липтобиолиты (см. Каустобиолиты).

Сапропелиты (сапропелевые угли) — продукт преобразования низших растений и микроорганизмов планктона, накапливавшихся в органогенном иле озёр и морских лагун. На равных стадиях преобразования органического вещества сапропелиты отличаются от гумолитов более высоким выходом летучих веществ (60—80%) и содержанием водорода (8— 12%).

  Сапрогумолиты — переходная разность Угли ископаемые, продукт преобразования высших, а также низших растений. Сапропелиты и сапрогумолиты обычно залегают в виде прослоев и линз среди гумусовых углей. Высокозольные разности сапропелитов называют горючими сланцами; они нередко образуют самостоятельные бассейны (например, Прибалтийский сланцевый бассейн) и месторождения.

  Минеральные примеси находятся либо в тонкодисперсном состоянии в органической массе, либо в виде тончайших прослоек и линз, а также кристаллов и конкреций. Источником минеральных примесей в Угли ископаемые могут быть: неорганические составные части растений-углеобразователей; терригенный материал, приносимый в области торфообразования водой и ветром, а также минеральные новообразования, выпадающие из растворов вод, циркулирующих в торфяниках. Состав минеральных примесей — кварц, глинистые минералы (главным образом каолиниты), полевые шпаты, пирит, марказит, карбонаты и др. соединения, содержащие Si, Al, Fe, Ca, Mg, К, Na, Ti, редкие и рассеянные элементы (U, Ge, Ga, V и др.). Содержание минеральных примесей изменяется в широких пределах; большая часть из них при сжигании Угли ископаемые превращается в золу.

  Различия в исходном материале, степени обводнённости торфяников, химическом составе среды и фациальных обстановках осадкои торфонакопления, обусловливающие направленность и интенсивность протекания окислительных и восстановительных микробиологических процессов, создали в торфяной стадии основу для образования различных генетических типов Угли ископаемые (см. Углепетрография). Торфообразование и торфонакопление завершались перекрытием торфяника осадками, образующими породы кровли. Происходившие при относительно невысоких температурах и давлении диагенетические (уплотнение, дегидратация осадков, газовыделение) и биохимические процессы восстановительного характера приводили к превращению торфа в бурый уголь. Угли ископаемые, включающие слабо разложившиеся древесные остатки, сцементированные землистым углём, называемые лигнитами.

  Бурые угли — одна из разновидностей Угли ископаемые — имеют широкое распространение. Доля запасов бурых углей и лигнитов в мировых запасах Угли ископаемые— 42%. Неглубокое залегание и большая мощность угольных пластов позволяют широко применять открытый способ разработки, экономические и технические преимущества которого во многом компенсируют относительно низкое качество сырья.

  В результате длительного воздействия повышенных температур и давления бурые угли преобразуются в каменные угли, а последние — в антрациты. Необратимый процесс постепенного изменения химического состава (прежде всего в направлении обуглероживания), физических и технологических свойств органического вещества в преобразованиях от торфа до антрацита называются углефикацией. Углефикация на стадиях превращения бурых углей в каменные и последних в антрациты, обусловленная происходящими в земной коре процессами, носит название метаморфизма углей. Выделяют 3 основных вида метаморфизма углей: региональный, вызванный воздействием внутренней теплоты Земли и давления перекрывающей толщи пород при погружении Угли ископаемые в глубь земной коры; термальный — под влиянием тепла, выделяемого магматическими телами, перекрывшими или внедрившимися в угленосную толщу, либо в подстилающие её отложения; контактовый — под воздействием тепла изверженных пород, внедрившихся в угольные пласты или пересекших их непосредственно; проблематично признаётся возможным метаморфизм углей за счёт повышения температур в областях проявления тектонических сжимающих и скалывающих) усилий — динамометаморфизма.

  Структурно-молекулярная перестройка органического вещества при метаморфизме углей сопровождается последовательным повышением в них относительного содержания углерода, снижением содержания кислорода, выхода летучих веществ; в определённых закономерностях с экстремальными значениями на средних стадиях углефикации изменяются содержание водорода, теплота сгорания, твёрдость, плотность, хрупкость, оптические, электрические и др. физические свойства Угли ископаемые (рис. 1). Для определения этих стадий используются: выход летучих веществ V ^Г, содержание углерода, микротвёрдость и др. особенности химического состава и физических свойств углей. Наиболее эффективен метод определения стадии углефикации по отражательной способности витринита ®.

Рис. 1. Изменение рабочей влажности (W^p), теплоты сгорания (Q^г_б), содержания углерода (C^r), выхода летучих веществ (V^r) и отражательной способности витринита (R) с повышением степени углефикации углей (по И. В. Ерёмину, Э. М. Паху).

Каменные угли на средних стадиях метаморфизма приобретают спекающие свойства — способность гелифицированных и липоидных компонентов органического вещества переходить при нагревании в определённых условиях в пластического состояние и образовывать пористый монолит — кокс. Относительное количество запасов Угли ископаемые с высокой спекающейся способностью составляет 10—15% от общих запасов каменных углей, что связано с более высокой интенсивностью преобразования органических вещества на средних стадиях метаморфизма. Спекающиеся угли возникают при температурах примерно от 130 до 160—180 °С при общем диапазоне температур, обусловливающих протекание метаморфизма Угли ископаемые, от 70—90 °С для длиннопламенных углей до 300—350 °С для антрацитов. Наиболее высококачественные спекающиеся угли формировались в бассейнах, испытавших региональный метаморфизм при глубоком погружении угленосной толщи. При термальном и контактовом метаморфизме в связи с резким изменением температур и невысоким давлением преобразование органического вещества протекает неравномерно и качество углей отличается невыдержанностью технологических свойств. Породы угленосных формаций наряду с метаморфизмом углей испытывают катагенетические преобразования (см. Катагенез).

В зонах аэрации и активного действия подземных вод вблизи поверхности Земли Угли ископаемые подвергаются окислению. По своему воздействию на химический состав и физические свойства Угли ископаемые окисление имеет обратную направленность по сравнению с метаморфизмом: У. п. утрачивают прочностные свойства (до превращения их в сажистое вещество) и спекаемость; в них возрастает относительное содержание кислорода, снижается количество углерода, увеличиваются влажность и зольность, резко снижается теплота сгорания. Глубина окисления Угли ископаемые в зависимости от современного и древнего рельефа, положения зеркала грунтовых вод, характера климатических условий, вещественного состава и метаморфизма углей колеблется от 0 до 100 м по вертикали.

  Различия в вещественном составе и степени метаморфизма обусловили большую дифференциацию технологических свойств У. и. Для установления рационального направления промышленного использования Угли ископаемые подразделяются на марки и технологические группы; в основу такого подразделения положены параметры, характеризующие поведение Угли ископаемые в процессе термического воздействия на них (см. табл.). Границей между бурыми и каменными углями принята высшая теплота сгорания рабочей массы беззольного угля, равная 5700 ккал/кг (23,86 Мдж).

Ведущий показатель при использовании Угли ископаемые в энергетических целях — низшая теплота сгорания — в пересчёте на рабочее топливо (Q^п_н) колеблется в пределах (ккал/кг): 2000—5000 (8,372—20,930 Мдж) для бурых, 4100—6900 (17,162 — 28,893 Мдж) для каменных углей и 5700—6400 (23,86—26,79 Мдж) для антрацитов. Пониженная величина этого показателя у бурых углей объясняется низкой степенью углефикации органического вещества, слабой уплотнённостью материала и, соответственно, высокой их естественной влажностью, изменяющейся в пределах 15—58%. По содержанию рабочей влаги (W ^p) бурые угли подразделяются на технологические группы: Б1 с W^p > 40%, Б2 с W^p 30—40% и Б3 с W^p < 30%.

  В основу промышленной маркировки каменных углей положены показатели, характеризующие результаты их высокотемпературной сухой перегонки (коксования): выход летучих веществ, образующихся при разложении органической массы (частично неорганического материала — сульфидов, карбонатов, гидратированных минералов), и характеристика беззольного горючего остатка — кокса по спекаемости. Весовой выход летучих веществ (V^Г) из У. и, последовательно снижается с повышением степени углефикации от 45 до 8% у каменных углей и до 8—2% у антрацитов.

  В СССР спекаемость Угли ископаемые определяется в лабораторном аппарате пластометрическим методом, предложенным в 1932 советскими учёными Л. М. Сапожниковым и Л. П. Базилевич, по толщине образующегося при нагревании пластического слоя (у) с учётом усадки (х), выраженных в мм. Наибольшей спекающей способностью характеризуются каменные угли средних стадий углефикации с толщиной пластического слоя 10—35 мм (марок К и Ж). С понижением и увеличением степени метаморфизма спекаемость Угли ископаемые снижается. Угли марок Д и Т характеризуются слабоспекшимся порошкообразным нелетучим остатком. В таблице приведены величины основных показателей качества углей на различных стадиях углефикации применительно к маркам, употребляемым в СССР.

Основные показатели качества углей марочного состава

Марки угля	Буквен-ное обоз-начение марок	Средние величины показателей для углей, состоящих преимущественно из витринита			Отражательная способность витринита в масляной иммерсии R °, %
		Выход лету- чих веществ Vг, %	содержание углерода Сг, %	теплота сгорания Qгб, ккал/кг
Бурые ДлнннопламенныеГазовые Жирные Коксовые Отощённо-спекаю-      щиеся Тощие Антрациты	Б Д Г Ж К   ОС Т А	41 и более 39 и более 36 30 20   15 12 менее 8	76 и менее 76 83 86 88   89 90 91 и более	6900—7500 7500—8000 7900—8600 8300—8700 8400—8700   8450—8780 7300—8750 8100—8750	0,30—0,49 0,50—0,64 0,65—0,84 0,85—1,14 1,15—1,74   1,75—2,04 2,05—2,49 2,50—6,00

  Кроме указанных в таблице, в некоторых бассейнах выделяются промежуточные марки: газовые жирные (ГЖ), коксовые жирные (КЖ), коксовые вторые (K₂), слабоспекающиеся (СС). Угли марок Г, ГЖ, Ж, КЖ, К и ОС подразделяются на технологические группы по спекающей способности; для указания технологической группы к буквенному обозначению марки прибавляется цифра, указывающая низшее значение толщины пластического слоя (у) в данных углях, например Г6, Г17, КЖ14 и т.п. Для углей конкретных бассейнов величины классификационных показателей (V^Г и у) регламентируются ГОСТом. Для получения металлургического кокса используется смесь различных марок углей — шихта, основным компонентом которой являются угли с высокими спекающими свойствами.

  Подразделение Угли ископаемые на бурые, каменные и антрациты принято в большинстве стран Европы (в некоторых — с выделением дополнительно лигнитов). В основу принятой в 1956 Европейской экономической комиссией ООН Международной системы классификации каменных углей также положены выход летучих веществ (V^Г) для углей с V^Г > 33% — высшая теплота сгорания влажной беззольной массы (Q^в_безз), спекающая способность и коксуемость. Тип угля обозначается кодовым трёхзначным номером, первая цифра которого указывает класс угля (по V^Г или Q^в_безз), вторая — группу (по спекающей способности, определённой методом Рога или индексом вспучивания в тигле), третья — подгруппу (по коксуемости, определённой методами Одибер-Арну или Грей-Кинга). В США и некоторых др. странах Угли ископаемые подразделяются на лигниты, суббитуминозные, битуминозные угли и антрациты; классификационными параметрами приняты: для лигнитов, суббитуминозных и битуминозных (с высоким V^Г >31%) углей — теплота сгорания беззольной массы, для битуминозных с V^Г < 31% и антрацитов — выход летучих веществ и содержание связанного углерода.

  Маркировка углей, отражая комплекс определённых технологических свойств разновидностей Угли ископаемые, используется как основной критерий в практике промышленного использования углей. Для конкретных направлений потребления устанавливаются дополнительные технические требования. Резкое снижение теплового эффекта сгорания Угли ископаемые и экономических показателей их использования за счёт балласта (золы и влаги) определяет необходимость брикетирования углей с высокой естественной влажностью и предварительного обогащения высокозольных углей (см. Обогащение полезных ископаемых). Предельная зольность Угли ископаемые, направляемых на слоевое сжигание, не должна превышать 20—37%, на пылевидное сжигание — 45%.

  Для коксования используются малозольные (обогащенные) спекающиеся каменные угли, в которых лимитируется содержание серы и фосфора. Для полукоксования, газификации, получения жидкого топлива, горного воска и др. направлений потребления нормируются спекаемость, сернистость, зольность, кусковатость, термическая стойкость, содержание смол, битумов и др. показатели качества.

Угли ископаемые — твёрдые горючие полезные ископаемые осадочного происхождения. В состав У. и. входят: органическое вещество — продукт преобразования высших и низших растений с участием микроорганизмов планктона, минеральные примеси (условно не более 50%) и влага.

Главные угольные бассейны и месторождения.

  У. и. залегают в земной коре в виде пластов, пластообразных и линзовидных залежей, имеют землистую, массивную, слоистую или зернистую текстуру; цвет от коричневого до чёрного.

I. Общие сведения
II. Происхождение, состав и свойства
III. Основные закономерности угленакопления
IV. Морфология угольных пластов и условия их залегания