Разработка угольных шахт и бассейнов. Какие существуют способы добычи угля? Размещение каменного угля

Низкая себестоимость и обширные запасы - главные факторы, обуславливающие увеличение количества сфер применения бурого угля. Этот вид ископаемого твердого топлива, самый ранний вид угля, добывается человеком уже не одну сотню лет. Уголь бурый - продукт метаморфизма торфа, в стадии между лигнитом и каменным углем. По сравнению с последним, данный вид топлива менее популярен, тем не менее в силу своей низкой себестоимости довольно широко применяется для производства электроэнергии, отопления и получения иных видов топлива.

Строение

Уголь бурый - плотная, землистая или волокнистая углистая масса бурого или смоляно-черного цвета с большим содержанием летучих битуминозных веществ. Как правило, в нем хорошо сохраняются растительная структура, раковистые изломы, древесные массы. Горит легко, пламя коптящее, при этом выделяется своеобразный неприятный запах гари. Вступая в реакцию с гидроксидом калия, образует жидкость темно-бурого цвета. При сухой перегонке бурый уголь образует аммиак с уксусной кислотой. Химический состав (в среднем), за вычетом золы: углерод - 63%, кислород - 32%, водород 3-5%, азот 0-2%.

Происхождение

Уголь бурый образуют слои залежей осадочных пород - флецы, часто большой мощности и протяженности. Материалом для формирования бурого угля служат различного рода пяльпы, кониферы, деревья и торфяные растения. Отложения этих веществ постепенно разлагаются без доступа воздуха, под водой, под шапкой смеси глины и песка. Процесс тления сопровождается постоянным выделением летучих веществ и постепенно приводит к обогащению растительных остатков углеродом. Уголь бурый - одна из первых стадий метаморфизма таких растительных отложений, после торфа. Дальнейшие стадии - каменный уголь, антрацит, графит. Чем длительней процесс, тем ближе состояние к чистому углерод-графиту. Так, графит относится к азойской группе, каменный уголь - к палеозойской, бурый уголь - преимущественно к мезозойской и кайнозойской.

Каменный и бурый уголь: отличия

Как можно заметить из самого названия, бурый уголь отличается от каменного цветом (более светлым или более темным). Существуют и черные разновидности, но в порошкообразном виде оттенок такого угля все равно бурый. Цвет каменного и антрацита всегда остается черным. Характерные свойства бурого угля заключаются в большем содержании углерода, по сравнению с каменными углями, и меньшем содержании битуминозных веществ. Это объясняет то, почему бурый уголь горит легче и при этом образуется большое количество дыма. Большое содержание углерода также объясняет упомянутую реакцию с гидроксидом калия и своеобразный неприятный запах во время горения. Содержание азота, по сравнению с каменными углями, также значительно ниже. При долгом пребывании на воздухе бурый уголь стремительно теряет влагу, рассыпаясь в порошок.

Разновидности

Сортов и разновидностей бурого угля достаточно много, среди которых выделяют несколько основных:

Обычный бурый уголь, консистенция плотная, матового бурого цвета.
Бурый уголь землистого излома, легко стирающийся в порошок.
Смолистый, очень плотный, темно-бурый, иногда даже иссиня-черный. В изломе напоминает смолу.
Лигнит, или битуминозное дерево. Уголь с хорошо сохранившейся растительной структурой. Иногда встречается даже в виде целых стволов деревьев с корнями.
Дизодил - бурый бумажный уголь в виде истлевшей тонкослоистой растительной массы. Легко разделяется на тонкие листы.
Бурый торфяной уголь. Напоминающий торф, с большим количеством посторонних примесей, иногда напоминающий землю.

Процентное соотношение золы и горючих элементов у различных видов бурого угля варьируется в широких пределах, что и определяет достоинства горючего материала той или иной разновидности.

Добыча

Способы добычи бурого угля аналогичны для всех ископаемых углей. Различают открытый (карьерный) и закрытый. Наиболее старый метод закрытой добычи - штольни, наклонные скважины до угольного пласта небольшой мощности и неглубокого залегания. Применяется в случае финансовой неэффективности устройства карьера.

Шахта - вертикальная или наклонная скважина в толще породы от поверхности до угольного пласта. Данный способ используется при глубоком залегании угленосных пластов. Характеризуется высокой себестоимостью добываемых ресурсов и высокой аварийностью.

Добыча открытым способом ведется при относительно небольшой (до 100 м) глубине залегания угольного пласта. Открытая или карьерная добыча наиболее экономичная, на сегодняшний день таким способом добывается примерно 65% всего угля. Главный минус карьерной выработки - большой урон окружающей среде. Добыча бурого угля преимущественно ведется открытым способом ввиду небольшой глубины залегания. Первоначально осуществляется удаление вскрыши (слоя пород над угольным пластом). После этого производится отбойка угля буровзрывным методом и его транспортировка специализированным (карьерным) автотранспортом с места добычи. Вскрышные работы, в зависимости от величины и состава слоя, могут осуществляться бульдозерами (при рыхлом слое незначительной толщины) или роторными экскаваторами и драглайнами (при более толстом и плотном слое породы).

Применение

В качестве топлива уголь бурый используется значительно реже, чем каменный. Применяется для отопления частных домов и на мелких электростанциях. Путем т. н. сухой перегонки из бурого угля получают горный воск для деревообрабатывающей, бумажной и текстильной промышленности, креозот, карболовую кислоту и другие подобные продукты. Также он перерабатывается в жидкое углеводородное топливо. Гуминовые кислоты в составе бурого угля позволяют использовать его в сельском хозяйстве в качестве удобрения.

Современные технологии позволяют производить из бурого угля синтетический газ, который выступает аналогом природного газа. Для этого уголь нагревают до 1000 градусов Цельсия, вследствие чего происходит газообразование. На практике применяется довольно эффективный способ: по просверленной скважине к залежам бурого угля через трубу подается высокая температура, а по другой трубе уже выходит готовый газ - продукт подземной переработки.

С древности каменный уголь является источником энергии для человечества, не единственным, но широко применяемым. Иногда его сравнивают с солнечной энергией, законсервированной в камне. Его сжигают, получая тепло для отопления, нагревая воду, на тепловых станциях преобразуют в электричество, используют для выплавки металлов.

С развитием новых технологий научились использовать каменный уголь не только для получения энергии путем сжигания. Химическая промышленность успешно освоила технологии производства , редких металлов — галлия и германия. Извлекаются из него композиционные углеграфитовые материалы с высоким содержанием углерода, газообразное топливо высокой калорийности, отработаны методики производства пластмассы. Самый низкосортный уголь, его очень мелкую фракцию и угольную пыль перерабатывают и , которые отлично подходят для отопления как производственных помещений так и частных домов. Всего с помощью химической переработки каменного угля производят более 400 наименований продукции, стоить которые могут в десятки раз больше, чем исходный продукт.

Люди уже несколько веков активно используют уголь как топливо для получения и преобразования энергии, с развитием химической промышленности и потребностей редких и ценных материалов в других отраслях потребность в каменном угле возрастает. Поэтому интенсивно ведется разведка новых месторождений, строятся карьеры и шахты, предприятия по переработки сырья.

Кратко о происхождении каменного угля

На нашей планете много миллионов лет тому назад во влажном климате бурно развивалась растительность. С тех пор минуло 210…280 миллионов лет. Тысячелетиями, миллионами лет миллиарды тонн растительности отмирали, скапливались на дне болот, покрывались слоями наносов. Медленное разложение в бескислородной атмосфере под мощным прессом воды, песка, других пород, иногда в условиях высоких температур из-за близкого расположения магмы, привело к окаменению слоев этой растительности, с постепенным перерождением в уголь разной степени углефикации.

Основные российские месторождения и добыча каменного угля

На планете насчитывают запасы каменного угля выше 15 триллионов тонн. Самые большие добычи полезных ископаемых приходятся на каменный уголь, примерно по 0,7 тонны на человека, это более 2,6 миллиарда тонн в год. В России каменный уголь имеется в разных регионах. Он имеет разные характеристики, особенности и глубину залегания. Вот наиболее крупные и успешно разрабатываемые бассейны каменного угля:

Активное использование сибирских и дальневосточных месторождений ограничивает их удаленность от промышленных европейских регионов. В западной части России также добывается уголь с отличными показателями: в Печерском, Донецком угольных бассейнах. В Ростовской области активно разрабатывают локальные месторождения, наиболее перспективное из них — Гуковское. Переработка каменного угля с этих месторождений дает марки каменного угля высокого качества — антрациты (АС и АО).

Основные качественные характеристики каменного угля

Для разных отраслей промышленности требуется различные марки угля. Качественные показатели его изменяются в широких пределах даже у тех, которые имеют одинаковую маркировку и во многом зависят о месторождения. Поэтому предприятия, прежде чем закупать уголь, знакомятся с такими его физическими характеристиками:

По степени обогащения каменный уголь разделяют:

— Концентраты (сжигают для отопления в паровых котлах и получения электроэнергии);
— Промышленные продукты, используются в металлургической отрасли;
— Шлам, фактически это мелкая фракция (до 6мм) и пыль после дробления породы. Сжигать такое топливо проблематично, потому из него формуют брикеты, имеющиех хорошие эксплуатационные характеристики и используют в бытовых твердотопливных котлах.

По степени углефикации:

— Бурый уголь, это частично сформированный каменный уголь. Имеет невысокую теплоту сгорания, при перевозке и хранении крошится, имеет склонность к самовозгоранию;
— Каменный уголь. Имеет множество разных марок (сортов) с различными характеристиками. Имеет широкую область использования: металлургия, энергетика, ЖКХ, химическая промышленность и т.п.
— Антрациты — самая качественная форма каменного угля.

Если сравнивать торф и каменный уголь, теплота сгорания угля выше. Самая низкая теплота сгорания у бурого угля, самая высокая — у антрацитов. Однако, исходя из экономической целесообразности, большим спросом пользуется простой каменный уголь. У него оптимальное сочетание цены и удельной теплоты горения.

Различных характеристик угля очень много, но далеко не все из них могут иметь значение при выборе угля для отопления. В этом случае важно знать всего несколько ключевых параметров: зольность, влажность и удельную теплоемкость. Может быть важно содержание серы. Остальные требуются при подборе сырья на переработку. Что важно знать при выборе угля, так это размеры: насколько крупные куски вам предлагают. Эти данные зашифрованы в названии марки.

Классификация по размерам:

Классификация по маркам и их краткая характеристика:

В зависимости от характеристик каменного угля, его марки, типа и фракции хранится он разное время. (В статье есть таблица, где указаны сроки хранения угля в зависимости от месторождения и марки).

Особое внимание нужно уделять защите угля при длительном его хранении (более 6 месяцев). В этом случае требуется специальный угольный сарай или бункер, где топливо будет защищено от осадков и прямого солнечного света.

Большие кучи угля при длительном хранении требуют контроля температуры, так как при наличии мелких фракций в сочетании с влагой и высокой температурой имеют склонность к самовозгоранию. Желательно приобрести электронный термометр и термопару с длинным шнуром, которую закопать в центре угольной кучи. Проверять температуру нужно один-два раза в неделю, потому что некоторые марки угля самовозгораются при совсем невысоких температурах: бурые – при 40-60 о C, остальные – 60-70 о C. Редко случаются случаи самовозгорания антрацитов и полуантрацитов (в России такие случаи не зарегистрированы).

Одна из крупнейших отраслей топливно-энергетического комплекса – угольная промышленность.

Еще в эпоху СССР Россия стала признанным лидером в сфере добычи и обработки угля. Здесь залежи угля составляют примерно 1/3 от мировых запасов, в их число входит и бурый, и каменный уголь, и антрациты.

Российская Федерация занимает шестое место в мире по масштабам добычи угля, 2/3 которого применяют для получения энергии и тепла, 1/3 – в химической промышленности, малую часть транспортируют в Японию и Южную Корею. В среднем в российских угольных бассейнах добывается более 300 млн тонн в год.

Характеристика месторождений

Если посмотреть на карту России, то свыше 90 % месторождений расположено в восточной части страны, преимущественно в Сибири.

Если сравнивать объем добываемого угля, его общее количество, технические и географические условия, то наиболее значимыми из них можно назвать Кузнецкий, Тунгусский, Печорский и Иркутско-Черемховский бассейны.

, иначе Кузбасс, – самый крупный угольный бассейн в России, и крупнейший в мире.

Он расположен в Западной Сибири в неглубокой межгорной котловине. Крупная часть бассейна принадлежит землям Кемеровской области.

Значительным минусом является географическая удаленность от основных потребителей топлива – Камчатки, Сахалина, центральных регионов страны. Здесь добывается 56 % каменного и около 80 % коксующегося угля, приблизительно 200 млн тонн в год. Тип добычи открытый.

Канско-Ачинский угольный бассейн

Раскинулся вдоль Транссибирской магистрали по территории Красноярского края, Кемеровской и Иркутской области. 12 % всего российского бурого угля принадлежит этому бассейну, в 2012 году его количество составило 42 млн тонн.

Согласно информации, предоставленной геологической разведкой в 1979 году, общие запасы угля – 638 млрд тонн.

Нужно отметить, что здешний является самым дешевым в связи с его добычей открытым способом, имеет низкую транспортабельность и используется для обеспечения энергией местных предприятий.

Тунгусский угольный бассейн

Один из самых крупных и перспективных бассейнов России, занимает территории Якутии, Красноярского края и Иркутской области.

Если смотреть на карту, видно, что это больше половины Восточной Сибири.

Здешние запасы угля составляют около 2345 млрд тонн. Здесь залегают каменный и бурый уголь, малое количество антрацитов.

В настоящее время работы в бассейне ведутся слабо (из-за плохой изученности месторождения и сурового климата). За год в подземным способом добывается около 35,3 млн тонн.

Печорский бассейн

Находится на западном склоне кряжа Пай-Хой, является частью Ненецкого автономного округа и Республики Коми. Основные месторождения – Воркутинское, Воргашорское, Интинское.

Залежи большей частью представлены коксующимся углем высокого качества, обусловленного добычей исключительно шахтным способом.

В год добывается 12,6 млн тонн угля, что составляет 4 % от общего объема. Потребители твердого топлива – предприятия северо-европейской части России, в частности Череповецкий металлургический завод.

Иркутско-Черемховский бассейн

Тянется вдоль Верхнего Саяна от Нижнеудинска до озера Байкал. Разделяется на Прибайкальскую и Присаянскую ветви. Объем добычи – 3,4 %, способ добычи открытый. Месторождение удалено от крупных потребителей, доставка затруднена, поэтому местный уголь используется в основном на иркутских предприятиях. Запас – около 7,5 млрд тонн угля.

Проблемы отрасли

В наши дни активная добыча угля ведется в Кузнецком, Канско-Ачинском, Печорском и Иркутско-Черемховском бассейнах, планируется развитие Тунгусского бассейна. Основной метод добычи открытый, этот выбор обусловлен его относительной дешевизной и безопасностью для работников. Минус данного способа в том, что весьма страдает качество угля.

Главная проблема, с которой сталкиваются вышеуказанные бассейны, – трудности доставки топлива в отдаленные регионы, в связи с этим необходима модернизация сибирских железнодорожных путей. Несмотря на это, угольная промышленность – одна из самых перспективных отраслей российской экономики (по данным предварительной оценки, залежей российского угля должно хватить более чем на 500 лет).

Россия может похвастаться самыми щедрыми месторождениями угля, однако зачастую они находятся в труднодоступных регионах, что осложняет их освоение. Кроме того, не все залежи являются извлекаемыми по геологическим причинам. Предлагаем вашему вниманию рейтинг угольных бассейнов мира, таящих в себе колоссальные природные богатства, большая часть которых так и останется в недрах земли, не будучи извлечённой на поверхность.

Тунгусский бассейн, Россия (запасы угля — 2,299 трлн тонн)

Бесспорное мировое лидерство по критерию объёма залежей угля принадлежит российскому Тунгусскому бассейну, который занимает площадь более миллиона квадратных километров и охватывает территории Иркутской области, Якутии и Красноярского края. Запасы блока насчитывают 2,299 трлн тонн каменного и бурого угля. О полномасштабной разработке месторождений бассейна говорить преждевременно, поскольку большая часть зон возможной добычи ещё мало изучена ввиду расположения в труднодоступных районах. На тех участках, которые уже разведаны, ведётся добыча открытым и подземным способами.

Кайерканский угольный разрез, Красноярский край

Ленский бассейн, Россия (1,647 трлн тонн)

В Якутии и частично в Красноярском крае расположился второй из самых крупных в мире угольных бассейнов — Ленский — с запасами в 1,647 трлн тонн бурого и каменного угля. Основная часть блока находится в бассейне реки Лены, в районе Центральноякутской низменности. Площадь угольного бассейна достигает 750 тыс. квадратных километров. Как и Тунгусский бассейн, Ленский блок изучен в недостаточной степени из-за труднодоступности района. Добыча осуществляется на шахтах и разрезах. На Сангарской шахте, закрытой в 1998 году, спустя два года начался пожар, который не потушен до сих пор.

Заброшенная шахта "Сангарская", Якутия

Канско-Ачинский бассейн, Россия (638 млрд тонн)

Третья позиция в рейтинге крупнейших угольных блоков мира досталась Канско-Ачинскому бассейну, запасы которого насчитывают 638 млрд тонн угля, по большей части бурого. Протяжённость бассейна составляет около 800 километров вдоль Транссибирской магистрали. Блок расположен в Красноярском крае, Иркутской и Кемеровской областях. На его территории открыты около трёх десятков месторождений. Бассейн характеризуется нормальными геологическими условиями для разработки. Ввиду неглубокого залегания пластов освоение участков проходит карьерным способом.

Угольный разрез "Бородинский", Красноярский край

Кузбасс, Россия (635 млрд тонн)

Кузнецкий бассейн является одним из самых масштабных из освоенных блоков на территории страны. Геологические запасы угля Кузбасса оцениваются в 635 млрд тонн. Бассейн находится в пределах Кемеровской области и частично в Алтайском крае и Новосибирской области, где добываются суббитуминозный уголь и антрацит соответственно. В Кузбассе преобладающим является подземный способ добычи, который позволяет извлекать более качественный уголь. Ещё 30% объёма топлива добывается открытым способом. Остальной уголь — не более 5% — извлекается гидравлическим способом.

Разрез "Бачатский", Кемеровская область

Иллинойсский бассейн, США (365 млрд тонн)

Пятым по объёму угольных запасов в мире числится Иллинойсский бассейн площадью 122 тыс. квадратных километров, расположенный в одноимённом штате, а также на территориях соседних регионов — Кентукки и Индианы. Геологические каменноугольные запасы достигают величины в 365 млрд тонн, из них для открытой разработки доступны 18 млрд тонн. Глубина добычи средняя — в пределах 150 метров. До 90% добываемого угля дают лишь два из девяти имеющихся пластов — "Харрисбург" и "Херрин". Примерно такое же количество угля идёт на нужды теплоэнергетической отрасли, остальные объёмы коксуются.

Угольная шахта Crown III, штат Иллинойс, США

Рурский бассейн, Германия (287 млрд тонн)

Знаменитый немецкий Рурский блок размещается в бассейне одноименной реки, являющейся правым притоком Рейна. Это один из самых старых участков угледобычи, известный ещё с тринадцатого века. Промышленные запасы каменного угля залегают на площади 6,2 тыс. квадратных километров, на уровне глубин до двух километров, однако в целом геологические толщи, общий вес которых находится в пределах 287 млрд тонн, достигают шести километров. Порядка 65% залежей составляет коксующийся уголь. Добыча производится исключительно подземным способом. Максимальная глубина шахт в районе промысла — 940 метров (шахта "Гуго").

Рабочие угольной шахты Auguste Victoria, Марль, Германия

Аппалачский бассейн, США (284 млрд тонн)

В восточной части США, на территории штатов Пенсильвания, Мэриленд, Огайо, Западная Виргиния, Кентукки и Алабама, расположился Аппалачский каменноугольный бассейн с запасами в 284 млрд тонн ископаемого топлива. Площадь бассейна достигает 180 тыс. квадратных километров. В блоке насчитывается около трёх сотен районов угледобычи. В Аппалачах сосредоточены 95% шахт страны, а также примерно 85% карьеров. На угледобывающих предприятиях бассейна заняты 78% работников отрасли. Добыча 45% угля осуществляется открытым способом.

Удаление горных вершин для добычи угля, Западная Виргиния, США

Печорский бассейн, Россия (265 млрд тонн)

В Ненецком АО и Коми находится восьмой по величине запасов угольный бассейн мира площадью 90 квадратных километров — Печорский. Залежи угля данного блока составляют 265 млрд тонн. Промысел ведётся в районах многолетней мерзлоты, в лесотундре и тундре. Кроме того, тяжёлые условия добычи связаны с тем, что пласты залегают неравномерно и характеризуются высоким уровнем метаноносности. Работа в шахтах опасна из-за высоких концентраций газа и пыли. Большинство шахт были построены непосредственно в Инте и Воркуте. Глубина разработки участков достигает 900 метров.

Разрез "Юньягинский", г. Воркута, Республика Коми

Таймырский бассейн, Россия (217 млрд тонн)

Ещё один российский угольный блок вошёл в мировую десятку — Таймырский бассейн, который находится на территории одноименного полуострова и занимает площадь 80 тыс. квадратных километров. Строение пластов сложное, часть залежей угля пригодна для коксования, а большинство запасов составляют энергетические марки. Несмотря на значительные объёмы запасов топлива — 217 млрд тонн — в настоящее время месторождения бассейна не разрабатываются. Перспективы освоения блока достаточно туманны ввиду его удалённости от потенциальных потребителей.

Слои каменного угля по правому берегу реки Шренк, полуостров Таймыр

Донбасс — Украина, РФ, ДНР и ЛНР (141 млрд тонн)

Замыкает рейтинг крупнейших угольных бассейнов Донбасс с объёмом залежей в 141 млрд тонн, который охватывает территорию российской Ростовской области и ряд регионов Украины. На украинской стороне часть административной территории в зоне бассейна охвачена вооружённым конфликтом, не контролируется киевскими властями, находясь при этом под управлением непризнанных республик — ДНР и ЛНР в Донецкой и Луганской областях соответственно. Площадь бассейна составляет 60 тыс. квадратных километров. В блоке распространены все основные марки каменного угля. Донбасс интенсивно осваивается продолжительное время — с конца 19-го века.

Шахта "Обуховская", г. Зверево, Ростовская область

Приведённый выше рейтинг ни в коей мере не отображает реальной ситуации с показателями разработки месторождений, а лишь показывает масштаб крупнейших геологических запасов мира без привязки к фактическим уровням разведки и извлечения полезных ископаемых в той или иной стране. Суммарное количество доказанных запасов на всех месторождениях в государствах, которые являются лидерами угледобывающей отрасли, значительно меньше, чем объём геологических залежей даже в одном крупном бассейне.

Из приведённой диаграммы очевидно, что нет зависимости не только между объёмами доказанных и общих геологических запасов. Отсутствует также связь между масштабами крупнейших бассейнов и доказанным количеством угля в странах, в которых они находятся. К примеру, несмотря на то, что в России расположены четыре самых крупных бассейна в мире, по объёмам доказанных запасов страна уступает лидерство США.

Рейтинги показывают богатство российских недр, но вовсе не возможность их освоения. В свою очередь, показатели добычи зависят от других факторов. К примеру, напомним, Пронедра писали ранее, что Россия в 2017 году нарастит экспорт угля . Решения такого рода принимаются с учётом ряда условий, не зависящих от объёма запасов. Речь идёт о сложности работы на месторождениях, применяемых технологиях, экономической целесообразности, политике властей и позиции отраслевых операторов.