Условия и особенности формирования угольных формаций

Условия накопления исходного материала углей

Развитие растительного покрова на земной поверхно­сти происходит в самых разнообразных физико-геогра­фических условиях. Совершенно очевидно, что скудная растительность засушливых или высокогорных областей никогда не может дать значительного объема раститель­ной массы для последующего захоронения. Для накоп­ления растительной массы в большом количестве необ­ходимо, во-первых, чтобы рост растений опережал их отмирание, и, во-вторых, чтобы отмершие растения не подвергались быстрому разложению в условиях свободно­го доступа кислорода (на открытом воздухе).

Как показывает распространение и развитие совре­менных торфяников, такие условия возникают в зонах развития болот и стоячих водоемов. Болота могут обра­зовываться во всех областях земной поверхности с доста­точным количеством атмосферной влаги и наличием по­ложительных температур в определенные времена года, т. е. в зонах развития гумидного климата.

Видовой состав растительного покрова болот зависит и от климатической зональности.

Помимо крупной климатической зональности, при за­растании любого водоема возникает зональность от рас­положения растительности по влаголюбию. Разные виды растительности зарастающего водоема, перепутываясь, держатся сплошным покровом на поверхности воды, представляя так называемую сплавину. Последняя посте­пенно затягивает свободную поверхность воды. Утол­щаясь, сплавина становится почвой для других видов растений, превращает водоем сначала в трясинное боло­то, а затем в сплошное плотное болото. Обычная схема зарастания водоема представлена на рис. 9.1.

113

/

Рис. 9.1. Четыре стадии зарастания и заиливания озера (по Шмитцу):

1 — сапропелевые накопления; 2— торфяник.

Кроме того, нетрудно заметить, что различия в соста­ве торфяника возможны не только по характеру расти­тельности, но и по существенной смене режима зараста­ния. Наличие открытой застойной поверхности водоема приводит к зональной смене гумусовых накоплений, рас­пространенных по периферии торфяника, сапропелевы­ми, накапливающимися в центре (рис. 73), а также к перемежаемости в вертикальном разрезе гумусового ма­териала с сапропелевым при многократной смене режима водного питания торфяника.

Следовательно, возможно возникновение условий для накопления гумусового материала или смешанного.

В истории образования осадочных толщ углеобразование приурочивается к определенным эпохам с периода массового развития наземной растительности.

В пермский период вследствие изменения климата по­лучили развитие растения, приспособившиеся к более су­хим условиям. Углеобразователями наряду с папоротни­кообразными стали голосеменные растения — кордаитыс хорошо развитой древесиной. Массовое накопление растительности также тяготело к прибрежно-морским ус­ловиям.

В мезозойское время еще большее развитие получили голосеменные растения — хвойные, гинкговые, цикадовые с повышенным развитием древесины, а с мелового периода появились покрытосеменные — высшие цвето­вые растения, развивающиеся до

настоящего времени.

Этот тип растений приспособлен к существованию в различных климатических условиях, и торфообразование стало возможным не только в прибрежно-морских, но и 5 континентальных условиях — в долинах рек и озерных равнинах (лимническое угленакопление).

Подмеченные закономерности в размещении угольных пластов в осадочном чехле земного шара указывают, что для развития болот и накопления растительности необ­ходимо возникновение географических ландшафтов опре­деленного типа.

Такие ландшафты возникают:

в прибрежно-морских условиях при наличии об­ширных приморских равнин, в зоне которых имеются лагуны, остаточные озера, болота, пойменно-дельтовые части дряхлеющих рек или приморские предгорные и межгорные равнины и котловины;

в континентальных условиях — при наличии аллю­виальных равнин, предгорных или межгорных равнин и котловин.

Подобные условия возникают в истории континентов на определенных этапах их тектонического развития — при преобладающем значении общего погружения, на фоне которого проявляются колебательные движения подчиненных амплитуд.

Такие тектонические условия возможны для морфо­логически различных крупных структурных зон — гео­синклиналей, прогибов и платформ.

3. Стадийность процесса образования углей

Учение о стадиях происхождения углей в русской науке было создано еще В. М. Ломоносовым и успешно развито крупнейшими геологами-угольщиками нашего времени П. И. Степановым и Ю. А. Жемчужниковым.

Научно обоснованная современная характеристика стадий дана в многочисленных работах Ю.А.Жемчужникова: первая стадия — это превращение растительного вещества в торф. Место действия — болото; время — ты­сячелетия в ту или иную геологическую эпоху; обстанов­ка земная поверхность.

Торфообразование возможно лишь при ограниченном воздействии кислорода и возрастающей влажности сре­ды до состояния стоячих вод.

Органика сапропелевых углей претерпевает бактери­альное и химическое разложение еще в процессе накоп­ления.

Процессы, соответствующие торфяной стадии, приво­дят к уплотнению осадка, потере воды, развитию ново­образований битумного ряда (углеводородов, богатых водородом).

Общая химическая направленность преобразований в этом ряду выражается в уменьшении влажности и пе­рестройке молекул органических соединений (гуминовых кислот, битумов,

карбоидов кислого ряда) с убыванием в их строении водорода и кислорода и возрастанием ко­личества углерода.

Этот процесс в целом носит название углефикации.

Таким образом, специфика исходного материнского состава, условия разложения на торфяной стадии и метаморфизация в ходе геологических процессов во всей совокупности определяют генетическое разнообразие ис­копаемых углей.

Метаморфизм углей

Под метаморфизмом углей понимается различная степень их обуглероживания, сопровождающаяся изме­нением их физических и химических свойств, под влия­нием геологических процессов.

Проявляется метаморфизм в уменьшении влаги, ис­чезновении свободных гуминовых кислот, уменьшении количества летучих, увеличении количества углерода, в появлении свойства спекаемоести др.

Прямое влияние высоких температур наиболее отчет­ливо проявляется при воздействии на угольные массы изверженных пород. Контактово-метаморфические изменения углей широко развиты в природе и проявляются в обуглероживании угольной массы до со­стояния графита через ряд переходных стадий.

Классическим примером воздействия интрузий на угольные пласты является Тунгусский бассейн. На ог­ромной территории при почти горизонтальном залегании пластов степень углефикации угля значительно изменяется.

Количество летучих варьирует от 30 до 13%. Это обусловлено воздействием сибирских траппов.

Например, одновозрастные нижнекарбоновые угли Подмосковного бассейна и угли западного и восточного склонов Урала очень близки по исходному материалу, но резко отличны по степени метаморфизма. Подмосков­ные платформенного типа, не опускавшиеся на большие глубины и перекрытые маломощными толщами, являют­ся бурыми, залегающими в рыхлых песках и глинах; угли Кизеловокого бассейна (западный склон Урала) до­стигли стадии каменных. Они черные, матовые, спекаю­щиеся (марки Г). Угленосная толща собрана в асиммет­ричные складки. На восточном склоне Урала в собствен­но геосинклинальной зоне угленосные толщи интенсивно дислоцированы. Складки с крутым падением крыльев сильно сжатые, усложненные разрывами. Угли здесь кок­сующиеся и преимущественно тощие и антрациты.

В зависимости от глубины складчатой структуры и мощности угленосной толщи наблюдается повышение степени углефикации ископаемых углей с глубиной. Это отчетливо проявляется в Донецком бассейне, где в цен­тральной части при наибольшей глубине складчатых структур залегают антрациты. Повышение степени угле­фикации пластов со стратиграфической глубиной изве­стно в литературе под названием «правила Хильта».свойства и качества ископаемых углей

Петрографическая характеристика

В настоящее время петрографические исследования углей направляются на выделение петрографических ти­пов, характеризующих целые пачки и пласты.

Под петрографическим типом понимаются естествен­ные разновидности угля как горной породы, отличаю­щиеся друг от друга по внешним признакам (блеск, плотность, излом, сложение). Эти признаки возникают в результате определенных количественных и структурных соотношений петрографических компонентов угля, опре­деляемых микроскопически. Соотношение компонентов с учетом стадии метаморфизма придают выделяемым ти­пам определенные физические и химико-

технологические свойства. Поэтому в современной углепетрографии развивается направление, увязывающее типовые особен­ности угля с возможным профилем их использования.

Ингредиенты углей. В основе петрографической клас­сификации гумусовых углей лежит учение английской исследовательницы Марии Стопе (1919). Она выделила в углях макроскопически, по блеску четыре ингредиента или составных части: фюзен (матовый, шелковистый), дюрен (матовый), кларен (блестящий) и витрен (наибо­лее блестящий). Существенно отличны они и под микро­скопом.

Фюзен - фрагмент растительной ткани, похож на дре­весный уголь. Волокнистый, с матовым шелковистым блеском, хрупкий и мягкий, встречается в виде линз и примазок на плоскостях наслоения. В шлифах непроз­рачный черного цвета, отчетливо видна клеточная струк­тура наподобие сетки черного тюля.

Витрен наиболее блестящий, черный хрупкий ин­гредиент. Залегает в виде линз и также представляет собой цельный растительный фрагмент. В отличие от фюзена, где сохраняются лишь оболочки клеток, а цен­тральная часть выщелочена и пустотела или выполнена минеральным веществом, в витрине сохраняются клетки в целом.

Дюрен — матовый ингредиент, от бурого до черного цвета. Составляет значительную часть массы угля. Не­однороден. Сложен основной бесструктурной массой, в значительной мере насыщенной включениями, обнаруживающими структуру. Обилие включений и придает дюрену матовость.

Кларен — блестящий черный ингредиент, под микро­скопом представляет бесструктурную основную массу с включением структурных элементов, но в гораздо мень­шем количестве, чем в дюрене.

Так как фюзен и витрен являются также и микроком­понентами, то микроскопически выделены дополнитель­ные переходные между ними компоненты с общим назва­нием ксилен.

Основная масса представляет продукт полного разло­жения исходных тканей с утратой первоначальной струк­туры и возникновением новых особенностей сложения. Она цементирует форменные элементы.

В настоящее время для технологических целей микрокомпо­ненты углей подразделены на 5 групп и утверждены ГОСТ 9414—60:

Группа витренита представляет бесструктурные и структурные глубоко гелифицированные микрокомпонен­ты. Под микроскопом в проходящем свете просвечивают бурокрасными тонами. При нагревании способны пла­виться и спекаться.

Группа семивитренита представляет полугелифицированные структурные и бесструктурные микрокомпо­ненты, они под микроскопом в проходящем свете окра­шиваются в светло-коричневые тона. При нагревании не обладают плавкостью, но спекаются.

Группа фюзенита—,фюзенизированные структур­ные и бесструктурные микрокомпоненты, черные, непро­зрачные под микроскопом в проходящем свете. При на­гревании не переходят в пластическое состояние и не спекаются.

Группа лейптинита объединяет форменные эле­менты гумусового ряда — кутикулу, споры, пыльцу, смо­лы, коровью ткани. Под микроскопом в проходящем све­те прозрачны, желтого или оранжево-бурого цвета. При нагревании спекаются.

Группа альгинита представляет сапропелевую ос­новную массу (коллоальгинит) и водоросли (телоальгинит). Вез примеси гумусового материала микрокомпо­ненты этой группы под микроскопом в проходящем све­те желтого цвета. При нагревании способны к спе­канию

широкой известностью пользуется генетическая клас­сификации углей Ю.А. Жемчужникова. Им выделены две группы углей: гумолиты и сапропелиты с соответст­венным подразделением первых на два класса — гумиты и липтобиолиты и вторых —на собственно сапропелиты и сапроколлиты.

Гумиты, содержащие в преобладающем количестве гуминовые вещества из лигнино-целлюлозных тканей с подчиненным значением кутинизированных элементов, представляют наиболее широко распространенный и промышленноценный тип углей. К ним относятся подав­ляющее количество углей всех известных месторожде­ний. Это черные, хрупкие, не тяжелые горные породы с широким названием — каменный уголь.

Липтобиолиты, состоящие исключительно из кутиновых элементов и смол, имеют ограниченное и даже редкое распространение. Встречаются в виде пропластов в гуммитах и реже в виде самостоятельных маломощных пластов.

3. Технический и элементарный анализы углей

На месторождениях углей как вновь открываемых, так и эксплуатирующихся систематически производят отбор проб на два типа анализов: технический и элемен­тарный.

При техническом анализе определяются влажность W, зольность A, летучие вещества V, кокс К и сера S. Содержание их в лабораторной пробе определяется со­ответствующим индексом WA или Aа и т. д. Сумма соста­вляющих, исключая серу, приравнивается к 100% по формуле

Wa+Aa+Va+ Ка = 100%.

Влага W ископаемого угля зависит от гидрогеологи­ческих условий и от структуры угля.

Зола (A) представляет несгораемую часть угля. Она включает соли, содержащиеся в органической массе, примеси песчаных и глинистых частиц, накапливающиеся в процессе формирования торфяника. Поэтому золу под- разделяют на растительную(конституционную), состоящую из щелочей и растворяющуюся в воде; внутреннюю минеральные примеси, накопившиеся в процессе отложения растительной массы и принесенные ветром

Летучие вещества (V) и кокс (К). При нагревании угля без доступа воздуха его органическая масса начи­нает разлагаться на газообразные продукты — летучие и твердый коксовый остаток.

Для определения спекаемости углей существует не­сколько способов. Наиболее известен пластометрический. В приборе несложной конструкции при определенном ре­жиме нагревания добиваются появления в угле полужид­кой пластической массы. Слой этой массы систематиче­ски замеряется в течение всего времени эксперимента.

За показатель спекания принимается максимальная толщина пластического слоя, измеряемая в миллиметрах (А) При слабых спекающихся свойствах углей У дает величины от 0 до 12 мм, для коксующихся— 13—19 мм.

В it и х испытаниях определяют еще величину усадки (Х), т. е. разницу между начальной и конечной высотой сгрузки прибора углем.

Усадка для коксующихся углей выражается в 15— 28 мм, для сильно плавких — более 35 мм.

Сера (S) в том или ином количестве всегда содер­жится в угле. Ее источником являются органическая масса и минеральные примеси в виде гипса и пирита. Поэтому серу подразделяют на растительную, колчеданную и сульфатную.

Промышленная классификация углей по физико-химическим показателям

Товарные свойства углей должны обеспечивать эко­номически целесообразную работу топливных установок или ход технологического процесса при химической пере­работке углей. В обеспечение этих требований и возник­ли промышленные классификации углей, где их свойства ограничиваются определенными пределами или стандар­тами. В зависимости от характера показателя в промыш­ленных классификациях угли подразделяются на группы, марки и классы.

В основу такого подразделения берутся количествен­ные показатели технического и элементарного анализов спекаемости, выхода продуктов (перегонки и некоторых физических свойств.

По физико-химическим показателям угли подразде­ляются на марки, которые имеют собственное наимено­вание и обозначаются литерами; например, марка Д — длиннопламенный, К — коксовый и т. п. По сходности ма­рок могут быть выделены группы.

Угли одноименных марок отдельных бассейнов раз­личаются по своим химико-технологическим парамет­рам. Поэтому классификации по маркам разрабатывают­ся для каждого бассейна и утверждаются. По мере изменения технологии потребления углей классификации пересматриваются. Бурые угли имеют для марочного подразделения ин­декс Б. Подразделяются по количеству влаги на Б1 (Wа — более 40%); Б2 (Wa — 30—40%); БЗ (Wа — до 30%).

При высокой степени углефикации бурых углей с по­нижением влаги от 20 до 14% они приобретают свойства переходного качества к каменным и могут получить индекс ДБ — длиннопламенные бурые или Г Б — газовые бурые.

Угленосные толщи

Тектоническая классификация угленосных толщ.

Угольные пласты и вмещающие их породы представляют единый генетический комплекс, который известен в литературе под термином угленосная толща.

Более того, отчетливо установлено, что комплексы различных типов, генетически связанных пород угленосной толщи, образуются в единой тектонической и климатической обстановке, т.е. они представляют собой угленосную формацию.

В зависимости от тектонического режима в угленосных формациях возникают характерные диагностические признаки, определяющие благонадежность угольных месторождений и качество углей. Поэтому классификация угленосных формаций по тектоническому признаку является важной. Классификация, предложенная Г.А. Ивановым излагаемая во многих учебниках, заключается в подразделении угленосных формаций на три типа – геосинклинальный, платформенный и переходный.