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.