Периоды накопления и активного использования ископаемого угля несоизмеримы с периодом существования человечества. Возраст угольных месторождений, накапливавшихся в течение миллионов лет, составляет десятки и сотни миллионов лет; активное использование угля началось менее 270 лет назад. При нынешних темпах угледобычи разведанных запасов угля хватит примерно на 500 лет.

Горючий камень – ископаемый каменный уголь – был известен еще в древности. Его примитивная добыча велась в древнем Китае и античной Греции, где он использовался как топливо. Древнеримские виллы отапливались углем месторождений Греции и Италии. Хотя древнегреческий философ Аристотель сравнивал некоторые свойства древесного и ископаемого угля, много веков бытовало мнение о минеральном происхождении ископаемых углей. Так, в 315 году до нашей эры ученик Аристотеля Теофраст называл их «горящими камнями» – «антраксом» (откуда и появилось название «антрацит»). В ХVI веке нашей эры врач и алхимик Парацельс рассматривал природные угли как «камни, измененные действием вулканического огня», а естествоиспытатель Агрикола (рис. 7.1) говорил, что каменный уголь – это отвердевшая нефть.

Русский ученый М.В. Ломоносов в своем трактате «О слоях земных» (1763) выдвинул гипотезу о происхождении ископаемого угля из торфа, а торфа – из скоплений остатков растений на дне болот. Органическое происхождение ископаемых углей было окончательно доказано лишь в ХIХ веке путем микроскопических исследований, обнаруживших в структуре угольного вещества обуглившиеся или частично разложившиеся остатки растительных тканей, зернышек смолы, семян, спор.

На всех континентах Земли и большинстве островов Мирового океана имеются месторождения угля. Открытие каждого из них имеет свою историю.

О добыче и использовании каменного угля в Украине имеются различные сведения. Так, при геологических исследованиях были обнаружены отвалы древней разработки угля в районе г. Бахмут (ныне г. Артемовск), свидетельствующие, что уже в IX–X вв. местное население добывало и использовало его в качестве топлива при производстве различных предметов быта.

В Западной Европе уголь стал использоваться позже. До XVII века для выплавки металла применялся исключительно древесный уголь. Бурное развитие металлургии в

Георг Агрикола (Agricola) (1494–1555), настоящая фамилия Бауэр (Bauer), – немецкий ученый в области геологии, горного дела и металлургии, естествоиспытатель. В 1527–1530 гг. он работал в Санкт-Иоахимстале (Богемия) врачем и аптекарем. Здесь он познакомился с горным пробирным анализом и техникой плавки, приобрел обширные познания в минералогии, геологии, горном деле и металлургии. В 1530 г. Г.Агрикола опубликовал свою первую написанную на латинском языке книгу «Берманнус. Разговор о горном деле», в которой речь шла преимущественно о горной добыче серебра и «опыте работы с минералами». В следующем научном труде Агриколы рассказывается в основном о разработке рудных месторождений, выплавке металлов, добыче соли и горных машинах. Эта монография, состоящая из 12 книг, вышла в свет в 1556 г., через несколько месяцев после его смерти, под названием «О горном деле и металлургии» (De re metallica, libri XII). Более двухсот лет этот труд по горному делу, богато иллюстрированный прекрасными рисунками (см., например, рис. 7.2) – почти три сотни гравюр на дереве, – был основным учебником для горняков и металлургов.

XVIII веке потребовало большого количества топлива, поэтому запасы промышленной древесины резко сокращались. Заменой древесному углю мог стать ископаемый уголь.

К этому времени относятся усиленные поиски месторождений ископаемого угля в различных странах. Интересна история начала потребления каменного угля в Вели

Начало развития Донбасса связано с прозорливостью Петра I, который обратил внимание на образцы местного угля во время Азовского похода в 1696 г. По преданию Петр I произнес: «Сей минерал, если не нам, то нашим потомкам зело полезен будет». В 1722 г. он подписал указ об учреждении Донецкого угольного бассейна. Интересно, что к концу XVII века уголь в европейской промышленности практически еще не применялся, а во всей английской угледобыче было занято не более 150 человек, так что решение Петра было гениальной догадкой.

кобритании. Как писала одна из английских газет сто лет тому назад: «Дело было в начале XIV столетия. Лондонские пивовары, кузнецы и слесари, видя все более возрастающую дороговизну дров, попробовали вместо них жечь каменный уголь, что оказалось и очень удобным, и очень выгодным. Но суеверные горожане сочли сжигание каменного угля делом нечестивым. Была подана особая петиция королю, и употребление каменного угля было воспрещено законом. Однако ввиду дороговизны дров многие тайно продолжали нарушать закон, так что горожане потребовали драконовских мер. Достоверно известно, что один нарушитель закона в Лондоне был казнен, но говорят, что таких случаев было много. Затем строгие законы были отменены, но еще долго против каменного угля было сильное предубеждение ввиду «зловонности этого вида топлива».

Против каменного угля особенно восстали дамы; многие лондонские дамы отказались являться в дома, которые отапливались не дровами, и не прикасались ни к одному блюду, если оно было приготовлено на каменном угле, считая такие кушанья нечистыми.

А ныне каменный уголь составляет силу и богатство Англии, неизбежное условие самой нынешней цивилизации».

Изменились времена и изменилось отношение англичан к углю, в результате чего появилась следующая традиция. У англичан (в особенности у шотландцев) в новогоднюю ночь первым, кто переступит порог дома, должен быть высокий черноволосый мужчина с серебряной монетой и кусочком угля. И тогда в доме в новом году никогда не будет недостатка в еде, всегда будет тепло и уютно.

В России промышленное применение каменного угля взамен древесного возникло в начале XVIII века. Первые достоверные сведения о поиске и разведке ископаемых углей в России относятся тоже к началу XVIII в.

При Петре I, уделявшем большое внимание развитию горного дела, были организованы специальные экспедиции в различные районы страны.

В Донецком бассейне залежи каменного угля были открыты в 1721 г. в районах Бахмута, Лисичанска, Шахты.

Между историками идет спор о первооткрывателях угля в Донбассе. Длительное время считалось, что первооткрывателем каменного угля в Донецком бассейне является Григорий Капустин (рис. 7.3), который в 1721 г. открыл месторождения в районе рек Дона, Курдючей и Осереди.

Однако, как свидетельствуют архивные материалы, в том же 1721 г. бахмутские солевары Никита Векрейский и Семен Чирков нашли в балке Скелеватой в 25 км от Бахмута каменный уголь и начали использовать его в кузницах. А в Лисичьей балке, где потом в 1796 г. вошла в действие первая в Донбассе шахта, открыл месторождение угля в декабре 1722 г. Николай Аврамов – один из руководителей черноморской горной экспедиции.

Григорий Григорьевич Капустин – подьячий села Даниловского, бывшего Костромского уезда. Обследовав районы Верхнего и Среднего Дона, Капустин произвел потом разведку угля в прибрежной полосе Северского Донца (рис. 7.4). Местные поселяне, преимущественно из запорожских казаков, рассказали ему, что они уже давно используют горючий камень в кузницах, и показали свои угольные копи. В начале января 1722 года Григорий Капустин докладывал об итогах экспедиции:

«Доносит Вам рудных дел подьячий Григорий Капустин, что мною вынуто из Донецкой земли уголье близ речки Кундрючья. Прошу принять и опробовать его в лаборатории».

Берг-коллегия, по заданию которой и осуществлялась экспедиция и в составе которой были в основном иностранцы, не отнесла открытие Капустина к числу имеющих промышленное значение.

Но вот в январе 1724 года Петр Первый получает донос Бахмутского управителя Никиты Вепрейского и капитана Семена Чиркова, в котором те сообщали, что на угле, добытом в окрестностях Лисьей балки, бахмутские мастеровые люди варят соль и делают различные кузнечные поковки, а жители близлежащих поселений используют горючий камень для отоплений жилищ.

Вот тогда вдогонку Григорию Капустину Берг-коллегия и направила срочную депешу, в которой изменялся очередной маршрут экспедиции и предписывалось побывать на берегах рек Северского Донца и Верхней Беленькой.

Испытывая недостатки в пище и деньгах, экспедиция Григория Капустина осенью 1724 года, преодолевая все трудности, изучила возле реки Беленькой, в Лисьей балке, невиданный до того пласт угля высотой в 1,14 метра. Это была «эврика» в угольных раскопках, которая удивила иностранных горных инженеров.

Сообщение Григория Капустина о найденных им залежах каменного угля в Донбассе в условиях дворянскокрепостной России не сразу стало основой для промышленной разработки богатых залежей на юге страны, хотя он настойчиво боролся за быстрейшее использование своих открытий.

Лишь через семьдесят лет в Лисьей балке была заложена первая шахта по добыче угля в Донбассе. Здесь, в Лисичанске, впервые началась промышленная разработка углей.

Экспедиции, направленные в другие районы России, сделали также ряд открытий. В 1721 г. было обнаружено угольное месторождение на реке Томь (Кузбасс). К этому же году относится открытие Подмосковного бассейна, а также месторождения в районе г. Кизел на Урале. В 1722–1723 гг. в петербургскую Берг-коллегию поступило много сообщений об угольных пластах в районах рек Дона и Днепра.

Огромное влияние на интенсивный поиск и освоение угольных месторождений оказало развитие металлургической промышленности во многих странах. В частности, освоение Донецкого бассейна тесно связано с постройкой Луганского чугунолитейного завода, перерабатывающего местные руды, который был введен в действие в 1799 г. Одновременно с началом сооружения завода были заложены каменноугольные разработки первично вблизи села Белого, а затем на более богатом месторождении на правом берегу Северского Донца в Лисичьей балке (г. Лисичанск). Лисичанский рудник оставался основным угледобывающим предприятием в Донбассе до конца 60-х годов XIX столетия, т.е. до начала строительства более крупных шахт в его центральных районах.

Сохранился указ Петра I от 7 декабря 1722 г.: «Для копания каменного угля и руд, которые объявил подъячий Капустин, из Берг-коллегии послать нарочного и в тех местах того каменного уголья и руд в глубину копать сажени на три и больше и, накопив пуд до пяти, привесть в Бергколлегию и опробовать».

Аналогично начинали осваиваться угольные месторождения в других угледобывающих странах.

Древние естествоиспытатели считали основным отличительным признаком ископаемых углей способность гореть. Поэтому хронология открытия угля человечеством связана с хронологией развития технологических процессов, в которых уголь используется прежде всего как топливо. Вероятно, первыми уголь в качестве топлива использовали древние китайцы: по некоторым сведениям, в одном из крупнейших угольных районов Китая Фуншуе его применяли для выплавки меди 3 тысячи лет тому назад. Известны китайские трактаты II века до н.э., где упоминается об использовании угля в производстве фарфора, для выпарки соляных растворов и др. По сообщениям знаменитого путешественника Марко Поло, посетившего Китай в 1310 г., уголь широко применялся в промышленности и для отопления. Примерно к этому же времени относятся упоминания об использовании угля как топлива в Англии и Германии и о закладке первых угольных шахт в Англии.

Однако еще в конце XVII века размеры добычи и использования угля в Европе были ничтожны. Так, в угледобывающем районе Англии (Бристоль) на 70 шахтах работало всего 123 человека. Это было связано с тем, что, значительно превосходя дрова по теплоте сгорания и развиваемой температуре, уголь все же уступает им по ряду технологических характеристик – температуре воспламенения, содержанию серы – и, в отличие от сухих дров, дымит. Поэтому, пока лесов в Европе хватало, а плотность населения и уровень развития промышленности были невелики, предпочитали обходиться дровами для отопления, древесным дегтем и смолой как связующими и древесным углем как топливом и восстановителем руд в металлургии.

Считается, что начало использованию каменного угля в химико-технологическом направлении положили работы химика И.Бехера, который в 1681 г. получил патент на «новый метод изготовления кокса и смолы из торфа и каменного угля, никем никогда ранее не открытый и не примененный». Это была термообработка угля без доступа воздуха с отгонкой летучих и серы, превращавшая его в кокс. И.Бехер описывает свое изобретение так: «В Голландии имеется торф, в Англии каменный уголь, но и тот, и другой почти не употребляются для сжигания в доменных печах и для плавки. Я нашел путь, позволяющий превратить и тот, и другой в хорошее горючее, которое не только не дымит и не воняет, но и дает столь же сильный огонь, необходимый для плавки, как и древесный уголь… При этом достойно внимания: как шведы получают свою смолу из соснового дерева, так и я получил свою смолу в Англии из каменного угля, которая одинакова со шведской по качеству, и даже у некоторых углей выше ее. Я производил пробы как на дереве, так и на канатах, и смола показала себя вполне хорошей…» В том же XVII веке англичанин Д.Додлей проводил экспериментальные доменные плавки на ископаемом угле, но подробности осуществления процесса он держал в секрете и унес с собой в могилу.

Открытия И.Бехера и Д.Додлея при их жизни не получили распространения. А тем временем для обеспечения доменных печей и кузниц древесным углем хищнически истреблялись леса. В целях их сохранения английский парламент еще в 1558–1584 гг. издал ряд указов, ограничивающих рост и размещение металлургических предприятий. Тем не менее потребности в металле быстро увеличивались, и к началу XVII века множество лесов в Европе было полностью уничтожено. В промышленно более развитых странах – Англии, Германии, Голландии, Франции – дрова и древесный уголь стали буквально на вес золота, что резко тормозило развитие промышленности и вынудило интенсивно искать альтернативное топливо.

Первые достоверные сведения об организованных поисках и разведке полезных ископаемых, в частности углей, в России относятся к периоду царствования Петра I.

Указом Петра I в 1719 г. была организована Берг-коллегия (Берг-привилегия), которой поручалось руководство горной промышленностью страны и разведка полезных ископаемых. Берг-коллегия привлекла население «как собственных, так и на чужих землях искать, копать, плавить, варить и чистить всякие металлы... и всякие руды земли и каменья».

Первые статистические данные о добыче угля за 1796–1801 гг. свидетельствуют, что в эти годы было добыто 2,4 тыс. т, в 1810 г. – 2,5 и в 1820 г. – 4,1 тыс. т угля.

Еще в 1757 г. М.В. Ломоносов в своем «Слове о рождении металлов» высказал гипотезу о растительном происхождении углей и первый выдвинул идею о том, что каменный уголь образовался из торфа. Эта мысль позже легла в основу общепринятой теперь «теории превращений». Первая работа по изучению каменных углей под микроскопом принадлежит горному инженер-капитану Иваницкому (1842 г.), который писал: «Растительное происхождение каменного угля несомненно и почти можно считать доказанным. Оно основано на постепенностях перехода от торфа и бурого угля до самых кристаллических видов каменного угля и антрацита».

Начало промышленной революции в Европе вполне справедливо связывают с «открытием» ископаемого угля для использования в промышленности, произошедшем через 50–80 лет после открытий И. Бехера. В 1735 г. в Англии А. Дерби применяет уголь, а точнее, кокс, полученный выжигом каменного угля в так называемых «кучах», где примерно треть угля сжигалась и две трети превращались в кокс, в качестве топлива и восстановителя для выплавки металла в доменных печах. В 1763 г. Дж. Уатт в Англии, а через 20 лет после этого И. Ползунов в России изобретают паровую машину, где ископаемый уголь используется в качестве топлива. В том же 1763 г. французские металлурги Жара в Люттихе (Бельгия) и Жанзен в Саарской области строят первые коксовые батареи с производством металлургического кокса и улавливанием смолы коксования. Наконец, в 1792 г. англичанин В. Мэрдок не только повторил 180-летней давности опыты голландского естествоиспытателя Я.Б. ван Гальмонта по получению горючего газа из каменного угля, но и оборудовал газовым освещением свой дом в Редруте. Так определились основные направления использования ископаемого угля: топливо (для паровых котлов и бытовых нужд); топливо и восстановитель (кокс для выплавки металлов); сырье для получения жидких и газообразных продуктов, в свою очередь применяемых как топливо либо химическое сырье.

Ведущую роль в деле внедрения газового освещения в городах сыграл в начале XIX века англичанин Ф.-А. Ванзор. Пожалуй, ему легче было решать технические вопросы, чем преодолевать предрассудки общества. Так, известный английский писатель В.Скотт писал о Ванзоре: «Один сумасшедший предлагает осветить Лондон, – чем бы вы думали? Представьте себе – дымом…» Газеты пестрели заявлениями, что искусственное освещение нарушает божественные законы, по которым ночью должна быть тьма; что освещенные улицы будут способствовать росту пьянства, развращенности населения и простудных заболеваний (имелись в виду ночные гуляки); что при новом освещении будут пугаться лошади и обнаглеют воры… Несмотря на это, в 1812 г. английский парламент утвердил учреждение первой в мире «Лондонской и Вестминстерской компании для газового освещения и производства кокса», в 1816 г. был открыт первый газовый завод в США, в 1820 г. – во Франции, в 1835 г. – в России. В 1885 г. в Англии потреблялось около 2,5 млрд.м 3 светильного газа и ненамного меньше каменноугольного газа как домашнего топлива для приготовления пищи.

К началу XIX века развитие производства кокса для металлургии, с одной стороны, и светильного газа, с другой, еще более увеличило количество получаемой каменноугольной смолы и усилило работы по исследованию возможностей ее использования. В 1815 г. английский химик Аккум стал получать из смолы легкие масла – эссенции, нашедшие применение в качестве растворителей и заменителей древесного скипидара. В 1822 г. в Англии первый смолоперегонный завод начал производить легкую каменноугольную смолу – нафту – для пропитки непромокаемых тканей и плащей. В 1825 г. великий английский физик и химик М.Фарадей выделил из продуктов переработки угля бензол, чем заложил основу химии ароматических соединений. В 1842 г. русский химик Н.Н. Зинин открыл методы промышленного получения каменноугольного анилина – важного промежуточного продукта в синтезе искусственных красителей. Это открытие было практически использовано лишь в 1856 г., когда английский студент В.Перкин, обрабатывая анилин, получил первый искусственный органический краситель – мовеин – и быстро организовал у себя на родине производство целого ряда синтетических красителей.

Казалось бы, какое влияние на углехимию может иметь изобретение сетки накаливания в газовых светильниках? Но дело в том, что до этого бензол из сырого газа не извлекали: только его присутствие обеспечивало удовлетворительную яркость освещения. А после этого изобретения, позволившего использовать для освещения и «обедненный» бензолом газ, появилась возможность промышленного извлечения сырого бензола из каменноугольного газа. «Отцом» промышленного сырого бензола считают немца Брунка. Во многом благодаря ему за последнее десятилетие XIX века Германия увеличила производство сырого бензола при углепереработке в 50 раз.

В настоящее время мировая потребность в сыром бензоле и других жидких продуктах углехимии не перекрывается их производством из угля коксования и полукокосования. Поэтому ряд стран (Австрия, Эстония, Израиль и др.) получают их из своих горючих сланцев. Стоимость продуктов углехимии, получаемых из горючего сланца, в несколько раз превышает стоимость исходного сырья. Сланцевое масло содержит бензино-керосинную фракцию даже в большей доле, чем каменноугольная смола, в связи с чем, например, Австралия планирует в перспективе полностью заменить местным горючим сланцем привозную нефть.

В качестве топлива для энергетических установок уголь безраздельно господствовал вплоть до изобретения двигателей внутреннего сгорания, использующих продукты нефтепереработки и значительно более удобных для мобильной эксплуатации. К концу первой трети XX века уголь был не только полностью вытеснен нефтепродуктами из автои авиатранспорта, но и заметно уступил свои позиции на водном и железнодорожном транспорте. Однако в условиях нефтяной блокады, которой подверглась во время второй мировой войны Германия, а в послевоенные годы – ЮАР, уголь оказался сырьем, способным заменить жидкие моторные топлива. Синтетические жидкие топлива получали из угля путем гидрогенизации (прямого ожижения), пиролиза, газификации угля с последующим каталитическим синтезом Фишера-Тропша. Хотя по экономическим показателям синтетические топлива были дороже нефтяных и со снятием блокады их производство, как правило, прекращалось, постепенное исчерпание нефтяных запасов и устойчивый рост цен на нефтепродукты вынуждают продолжать разработки в данном направлении. В частности, в Украине наиболее благоприятны для производства синтез-топлив днепровские бурые угли, львовско-волынские сапропелиты и болтышские горючие сланцы.

Несмотря на все разнообразие направлений использования ископаемых углей, основными их потребителями и по сей день являются теплоэнергетика, металлургия, а в сельской местности и развивающихся странах – и жилищно-бытовой сектор. И чем больше росло потребление угля в указанных секторах, тем острее становилось противоречие между соотношением требуемых и получаемых марок углей, а также между выходом при добыче и потреблением сортовых фракций и несортовой угольной мелочи. Поэтому еще с конца XIX века интенсивно велся поиск методов устранения этих противоречий, и не без успеха.

Например, из всех марок углей коксующимися свойствами, т.е. способностью при нагревании без доступа воздуха не только отдавать летучие вещества и серу, но и спекаться в монолит с заданной пористостью и механическими свойствами, обладают лишь угли марок Ж (жирный) и К(коксовый), доля которых в общем объеме добычи относительно невелика и не обеспечивает потребности коксовых производств. Исследования характера и природы пластификации и последующего затвердевания углей, начатые в 20-х годах ХХ века Ф. Фишером и впоследствии развитые Г.Л.Стадниковым, Д. ван Кревеленом, Н.С. Грязновым, позволили не только создать стройную теорию пластификации, но и установить возможность получения коксующихся шихт (смесей) из углей меньшей (газовый, длиннопламенный газовый) и большей (отощенный спекающийся) степени метаморфизма, что почти вдвое расширило сырьевую базу производства металлургического кокса.

Из угля были получены отравляющие газы, столь ужасно проявившие себя на полях сражений первой мировой войны. Но на основе угля же, правда, сначала древесного, было изготовлено средство защиты от них. Лечебные качества древесного угля были описаны еще Гиппократом за 400 лет до н.э., но лишь в 1785 г. видный русский химик и фармацевт академик Т.Е. Ловиц показал, что они являются следствием его поглощающих, или адсорбционных, свойств. Ловиц не только заложил основы учения об адсорбции, но и эффективно применил древесный уголь для очистки и обесцвечивания сахарных сиропов и патоки, питьевой воды, сырой селитры и даже алкоголя.

В годы первой мировой войны русский профессор Н.Д. Зелинский изобрел способы активации древесного угля водяным паром и органическими веществами и успешно применил активированный уголь в противогазах. В настоящее время промышленность потребляет много тысяч тонн технических активированных углей, главным образом для очистки сточных вод. Эти технические адсорбенты получают путем активации уже не древесных, а ископаемых углей.

Слоевой метод сжигания угля, который был единственным для печей, каминов, паровых машин и ранних паровых котлов, требовал использования кускового угля (допускалась очень незначительная доля мелочи). Это связано с тем, что при естественной тяге между частицами угля в слое должно оставаться достаточно пространства для свободного доступа окислителя, а при форсированной тяге (дутье) мелкие частицы не должны выноситься из слоя. В период, когда уголь добывался вручную, необходимая доля кускового угля при добыче обеспечивалась шахтерами. При этом пласт выбирался не полностью, а производительность труда шахтеров была низкой. Вызванное ростом потребления увеличение добычи, ставшее возможным только при механизации шахт, резко повысило долю мелочи в объеме добываемых углей. Но сжигание твердого топлива, которое по своей крупности не соответствует оптимальным требованиям, снижает эффективность его использования на 15–20%, а в ряде случаев процесс горения вообще прекращается. В связи с этим возникла задача окусковывания (брикетирования) угольной мелочи для технологий, основанных на потреблении кускового (сортового) угля, и параллельно – задача развития технологий, где возможно использование угольной мелочи и пыли без их окусковывания.

Обычно брикетированию подвергают торф, бурые угли, отсевы каменных углей и антрацитов, мелкозернистый полукокс и кокс. Основными потребителями брикетов являются коммунально-бытовой сектор и коксовая промышленность. Исторически первыми возникли два способа производства брикетов механическим путем: без связующих веществ (за счет собственных связующих свойств торфа и бурых углей) при температуре 40–80°С и давлении прессования 80 МПа и более; с добавкой связующего вещества (нефтебитумов или каменноугольного пека), необходимого для обеспечения сцепления между частицами каменных углей, антрацитов, полукоксовой и коксовой мелочи, при температуре 80–100°С и давлении прессования 15–25 МПа.

История отечественного углебрикетного производства берет начало с середины XIX столетия. В 1870 г. в Одессе была сооружена первая фабрика, выпускавшая антрацитовые брикеты для судов торгового флота. В ХХ веке вводятся в эксплуатацию фабрики брикетирования антрацитовых штыбов в Донбассе (Моспинская, Донецкая и др.), а также крупные буроугольные брикетные фабрики на Александрийском месторождении бурых углей.

В последние десятилетия в мире активно развивается направление брикетирования с термообработкой исходной угольной мелочи или брикетов при температурах 400–500°С. Эти технологии позволяют получать так называемое «бездымное» бытовое топливо повышенной экологической чистоты (с пониженным содержанием серы и меньше коптящее при сжигании), а также формованный кокс, что еще более расширя

ет топливную базу коксовой промышленности.

Использование ископаемых углей в качестве топлива неизмеримо возросло с появлением паровых машин и, особенно, с появлением машин, способных преобразовывать тепловую энергию сжигания углей в электрическую (первые тепловые электростанции – ТЭС). На тепловых электростанциях тепловая энергия угля служит для выработки пара в котле, который вращает ротор паровой турбины, соединенный с ротором генератора электрической энергии – наиболее удобной для потребителя разновидности энергии. Первые ТЭС появились в конце XIX века (в 1882 г. – в Нью-Йорке, в 1883 г. – в Петербурге, в 1884 г. – в Берлине, в 1895 г. – в Киеве). Они были оснащены слоевыми топками, которые длительное время являлись основными устройствами для сжигания больших количеств топлива и широко применялись для котлов паропроизводительностью 20–30 т/ч. Однако, кроме ограничения масштаба и невысокого КПД, связанного с относительно низкой температурой дымовых газов, их основным недостатком было требование к подаче угля в виде кусков и ограничение доли мелочи, приводившей к большим уносам углерода из топочного объема.

Положение изменилось в конце 20-х годов ХХ века, когда в ряде стран были разработаны и внедрены топки для факельного сжигания твердого топлива в пылевидном состоянии, что позволило вовлечь в топливную базу ТЭС угольную мелочь, в том числе повышенной зольности (до 25–30% – для антрацитов и тощих, до 30–40% – для каменных углей), землистые бурые угли, сланцы, а также повысить до 35–40% КПД энергоблоков. Таким образом, в настоящее время в энергетику направляются главным образом низкосортные угли и несортовая мелочь, что высвобождает сортовые угли для других видов использования.

Хотя пылеугольные, или камерные, топки на сегодня являются самыми распространенными в теплоэнергетике, они все больше вытесняются изобретенными в 60-е годы ХХ века в Германии топками с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС), также использующими угольную мелочь, однако имеющими ряд технологических и экологических преи

муществ. Котлоагрегаты с циркулирующим кипящим слоем отличаются низкими выбросами оксидов азота (за счет пониженной температуры процесса и организации внутритопочной восстановительной зоны) и серы (за счет внутритопочного связывания серы угля известняком), широким диапазоном регулирования нагрузки, а главное – пониженными требованиями к зольности угля, что позволяет использовать для сжигания не только высокозольные рядовые угли, но и отходы углеобогащения. Первый в Украине энергоблок с циркулирующим кипящим слоем электрической мощностью 210 МВт, использующий в качестве топлива антрацитовый шлам, вводится в эксплуатацию на Старобешевской ТЭС.

Ископаемый уголь - первый из используемых человеком видов минерального топлива. Его собирательство с поверхности у побережий морей и рек, где размывались выходы угольных пластов, началось еще в палеолите и продолжалось вплоть до XVI в. Разрабатывались мелкие месторождения, залегающие неглубоко от поверхности земли. Собранный или добытый примитивным ручным способом в мелких горных выработках уголь использовался для отопления жилищ и кузнечных работ.

Ископаемый уголь: Из истории угледобычи

Несмотря на то, что горное дело уже к средним векам стало относительно высокоразвитой отраслью промышленности, и рудники достигали значительной глубины, собственно для угледобычи проводить трудоемкие работы по сооружению шахт считалось нецелесообразным. Но с течением времени потребность в угле росла, и по мере того, как иссякали удобные месторождения, открытый способ добычи постепенно заменялся подземным. В очень редких случаях, в тех местах, где имелись выходы на поверхность мощных пластов угля (Польша, штат Пенсильвания в США), открытая их разработка велась вплоть до XIX в.

Стволы первых шахт представляли собой неглубокие и широкие колодцы. Позднее они углублялись до нескольких десятков метров и расширялись в нижней своей части. Их уже было невыгодно бросать после выемки всего угля и рядом закладывать новые. Началось проведение горизонтальных и наклонных выработок. От основания ствола в разных направлениях прокладывались продольные ответвления, между которыми для крепления сводов оставлялись целики горной породы. В средние века шахты стали многоэтажными: выработки прокладывались от вертикального ствола на разных глубинах. Сразу после выемки угля с целью предотвращения обвалов рабочее пространство укреплялось деревянными стойками, а позднее клетями в форме четырехугольников из крест-накрест сложенных деревянных брусьев.

Развитие и усовершенствование горного дела было напрямую связано с началом индустриальной революции. Потребность в дешевом ископаемом топливе резко возросла после изобретения Джеймсом Уаттом паровой машины, позволившей заменить ручной труд машинным. Увеличение числа машин в разных отраслях промышленности вызвало повышенную потребность в металле. А бурный рост металлургии в свою очередь привел уже к середине XVIII в. к массовому истреблению лесов. Так, в Англии металлургическое производство оказалось под угрозой свертывания из-за недостатка топливных ресурсов, поскольку лесные массивы были почти полностью уничтожены. Жесткая экономическая необходимость заставила вернуться к уже забытым идеям химика Иогана Бехера, открывшего в 1681 г. новый метод получения кокса и смолы из торфа и каменного угля:

«В Голландии имеется торф, в Англии каменный уголь, но и тот и другой почти не употребляются для сжигания в домашних печах или для плавки. Я нашел путь, позволяющий превратить и тот и другой в хорошее горючее, которое не только не дымит и не воняет, но и дает столь же сильный огонь, необходимый для плавки, как и древесный уголь ».

К XVIII в. разработка каменного угля была начата на выходах пластов в Рурском бассейне (крупнейший каменноугольный бассейн Западной Европы, расположенный на территории современной Германии), Саарбрюкенском (Франция), близ Плауэна (на границе современных Германии и Чехии).

Первые сведения о поиске и разведке ископаемых углей в России относятся к периоду царствования Петра I, когда были организованы специальные экспедиции. В 1721 г. открыты каменноугольные залежи на территории современного Донбасса, Подмосковного бассейна, на реке Томь (Кузбасс). Впервые шахтным способом стали разрабатывать месторождения в районе г. Кизел на Урале, г. Тулы (Подмосковный бассейн). Построенная в районе современного Лисичанска (Украина) шахта стала выдавать уголь в 1796 г., больше века оставаясь основным угледобывающим предприятием Российской империи.

В XIX в. горная промышленность стремительно развивалась. Неуклонно увеличивалась добыча всех полезных ископаемых, прежде всего – каменного угля. За последние три десятилетия – в шесть раз. И к концу столетия каменный уголь завоевал мировое лидерство по стоимости добытого продукта (по подсчетам немецких специалистов – более 5 млрд. марок) На втором месте – железо и сталь (чуть более 2-х млрд марок), на третьем – золото (около 800 млн марок).

Угледобыча по отдельным странам на рубеже XIX-XX вв. распределялась следующим образом:

	Объем добычи (в тоннах)		Объем добычи (в тоннах)
Европа		Азия
Великобритания
Германия
		Северная Америка
Австро-Венгрия		Соединенные Штаты

		Африка
		Трансвааль
		Австралия
		В других странах
Всего в Европе	396 059 600	Всего	186 390 600
Всего в мире – 582 450 200

Добыча угля

Несмотря на быстрые темпы развития угледобывающей отрасли в России (прежде всего – в Донбассе), она не покрывала всех потребностей отечественной промышленности и железнодорожного транспорта. Накануне Первой мировой войны около 15 % угля ввозилось из-за рубежа. Почти все угледобывающие процессы выполнялись вручную, хотя, к примеру, на шахтах Донбасса успешно работали несколько десятков врубовых машин.

Академик АН СССР А.М. Терпигорев (1873-1959) – крупнейший специалист в области эксплуатации угольных месторождений, вспоминал о состоянии горного дела на рубеже XIX-XX вв. следующим образом:

«Антрацитовый рудник представлял собой маленькое предприятие, которое нельзя было заметить на далеком расстоянии. Невысокая вышка с вращающимися шкивами, небольшая деревянная надшахтная постройка, около которой помещалась контора ».

Из надшахтного здания вниз по стволу шахтеров доставляла клеть. Внизу в околоствольном дворе не было никакого освещения, иногда подвешивалась маленькая коптилка, которую называли «бог в помощь». Она наполнялась минеральным маслом или сырой нефтью. Фитиль при горении давал небольшое пламя и много копоти, свет был тусклым, едва видимым. Околоствольный двор – это более-менее широкая выработка, высотой в рост человека. По мере удаления от центра высота уменьшалась до примерно метра. От него начинался продольный штрек – длинный узкий коридор, с проложенными рельсами и канавкой, по которой стекала вода. Длина коридора, в конце которого непосредственно и находился забой, увеличивалась по мере выработки угля и могла достигать километра. Высота сводов с увеличением расстояния наоборот уменьшалась.

А В.В. Вересаев в очерке «Подземное царство» писал:

«Идешь низко согнувшись, спину ломит, колени дрожат… Приходится ползти по норе высотой в три четверти аршина [аршин – чуть более 70 см]. Попробуешь двигаться на четвереньках – невыносимо больно, бьешься спиной о шероховатый свод; начинаешь ползти – рассыпанные на пути камни дерут колени и руки. Впереди опять маленький свет. Мы прижались к стенкам; по проходу быстро, как кошка, прополз на четвереньках рабочий, таща за собой на веревке нагруженные углем санки. Это – саночник; всю двенадцатичасовую упряжку он ползает взад и вперед, отвозя на себе уголь из лавы в продольную, где вагонщики нагружают этот уголь в вагончики. Человек обращается в четвероногое ».

Для откалывания угля рабочие использовали кайло – заостренную стальную лопасть, надетую на деревянную рукоятку. Кайло со вставным сменным острием (зубком) называлось обушком и позволяло сменить затупившуюся часть, не поднимаясь из забоя на поверхность. Каждому забойщику (или зарубщику) артельщик определял объем работы, деля фронт работ по длине на сажени. Рабочие садились вдоль угольного пласта на некотором расстоянии друг от друга, как обычно рассаживались на длинной деревянной деревенской лавке. Отсюда и появился термин «лава». Забойщик за 12 часов непрерывной работы должен был сделать врубы в виде широкой щели на заданную длину (2-3 сажени) и установленную глубину обычно не превышавшую длину деревянной рукоятки обушка. Это делалось для того, чтобы облегчить последующую отбойку угольного пласта и составляло примерно 120-140 пудов (ок. 2-х тонн). Крепление забоя также входило в обязанности забойщиков, являлось дополнительной нагрузкой и не оплачивалось.

После забойщиков в лаву приходили отбойщики. Мягкие угли отбивались тем же обушком, более крепкие – ломом, клиньями и тяжелым молотком (ок. 5 кг), который назывался «балдой». Отбитый уголь нагружался в деревянные санки на полозьях уже другими рабочими – отгребщиками (или навальщиками). А затем вывозился саночниками (или тягальщиками) до рельсового пути, по которому уже доставлялся к подъемной клети. Санки с окованным железом ящиком, весили около 3-х пудов, в них помещалось до десяти пудов угля (итого общий вес составлял более 200 кг).

«Тягальщики, большей частью подростки, прикрепленные железной цепью к ящикам, быстро на четвереньках, точно ручные медведи, подбегали к пласту и садились в ожидании, когда нагрузчики наполнят ящики. И при первом окрике «пошел!», они торопливо становились на четвереньки и медленно, с большим трудом тащили ящики к главному проспекту, где их уже ожидали откатчики с квадратными вагончиками, увозившими добычу на подъемную площадку. Вся эта работа происходила во мраке, в духоте и жаре, доходившей до 30 градусов. Углекопы, в особенности тягальщики, буквально купались в собственном поту. Чтобы ноги не скользили по мокрому камню, тяжелые сапоги тягальщиков были подкованы. И когда на четвереньках они бегали по шахте, звеня цепями, их подкованные ноги производили характерный железный стук, напоминавший топот лошадей по каменной мостовой »

А.И. Свирский. «Во тьме» .

У выхода из лавы помощники откатчиков, подростки лет 13-14, перегружали добытый уголь из санок в вагонетки. Каждую вагонетку емкостью 30-35 пудов (ок. полутонны.) катил по рельсам к подъемной клети один человек – откатчик. На некоторых шахтах использовалась конная откатка. Конюшня устраивалась прямо под землей. Жившие в ней лошади очень скоро теряли зрение, приспосабливаясь к жизни почти в полной темноте, как кроты. В околоствольном дворе вагончик загонялся в клеть, которая поднималась на поверхность с помощью паровой машины. Эта же клеть в конце смены поднимала из шахты рабочих

Условия работы на крупных шахтах и мелких рудниках были практически одинаковыми. Отличия были лишь в глубине разработки, количестве рабочих и объемах добычи. На одном из крупнейших в мире рудников – Королевы Луизы (Верхняя Силезия) в конце XIX века угольные пласты достигали мощности 10-15 метров, в работе было занято не менее 8400 человек, ежегодная добыча составляла около 2 млн 700 тыс. тонн. Если принять во внимание грузоподъемность железнодорожного вагона того времени (10 тонн), то можно вычислить, что для погрузки всей этой массы угля понадобится 270 000 вагонов. При длине одного вагона примерно 8 метров, состав растянулся бы на 2160 километров. Что приблизительно равно трем расстояниям между Петербургом и Москвой.

Любая шахта начиналась с того, что угольный пласт соединялся с дневной поверхностью вертикальной выработкой – стволом шахты – диаметром в несколько метров и глубиной до нескольких сотен метров, пробивался второй – вентиляционный – ствол, прокладывались горизонтальные коридоры, соединявшие угольный пласт с обоими стволами, по которым передвигались шахтеры, перевозился крепежный лес, добытый уголь. На всю высоту ствола устанавливались специальные полки, наподобие строительных лесов, на каждом из которых стоял рабочий. Со дна забоя породу поднимали наверх, перебрасывая ее с полка на полок. Поднятая на поверхность, порода на тачках отвозилась к отвалу. Несколько позже стали использовать ручной ворот с бадьей на канате. Применялась и конная тяга.

Сама по себе крайне трудоемкая работа еще более осложнялась, если выработки попадали в водоносный пласт – плывун. Подземные воды представляли серьезную угрозу. Пока они просачивались в незначительных количествах, их вручную собирали бадьями, откачивали специальными механизмами, отводили через специальные канавки в ту часть, где уголь был уже выбран. Если же вода прорывалась мощным потоком, спасти шахту и шахтеров уже не представлялось возможным.

Чем глубже уходил ствол шахты под землю, тем большей проблемой становилось обеспечение доступа воздуха. На глубине он неподвижен и насыщен парами воды и разных газов. Поэтому чтобы человек мог работать в шахте, туда непрерывно нужно подавать свежий воздух. В древности все усилия были направлены на создание и поддержание естественной вентиляции. Струи воздуха направлялись в рудник с помощью установленного у входа деревянного щита либо (позднее) системы флюгеров, называемых «ветрогонами», крылья которых вращались под действием силы ветра и тем самым нагнетали воздух. Использовались специальные печи, установленные в верхнем штреке шахты, в которых постоянно поддерживался огонь. Нагретый воздух поднимался по стволу шахты вверх, на его место поступал из нижних выработок более холодный.

Увеличение со временем количества работающих в шахте людей, использование лошадей, широкое применение взрывных работ вызвало необходимость устройства принудительной вентиляции. В средние века воздух нагнетали с помощью мехов, приводившихся в действие простейшим ручным воротом, на смену которому пришел конный привод. Еще позднее появились насосы с поршнем и вентиляторы. Последние, постепенно усовершенствуясь, превратились в ХХ в. в центробежные и пропеллерные.

Кроме того, некоторые угольные пласты постоянно выделяют отравляющие газы. Сероводород распознается по резкому запаху, напоминающему запах тухлых яиц. Сернистый газ действует на слизистую оболочку глаз, вызывая слезотечение, за что был прозван «глазоедкой». Углекислота выделятся при взрывах, из угольных пластов, при гниении крепежного леса, при дыхании людей. Некоторые угли выделяют метан. В соединении с воздухом он представляет собой взрывчатую смесь, готовую сдетонировать от любой искры. Метан вдвое легче воздуха, поэтому скапливается вверху, не имеет запаха, а потому обнаружить его наличие можно только с помощью специальных приборов. Все эти газовые примеси в определенной концентрации делают воздух непригодным для дыхания. М.В. Ломоносов в свое время отмечал, что «в глубоких рудниках, которые во многие стороны под землею далее проведены и мало шахтов, с самой поверхности прокопанных имеют собирается обыкновенно пар, человеческому здравию вредительных. Происходит от жирного каменного масла, от серы и мышьяка, и во время копания и разбивания горы с тяжестью каменной и земляною пыль по штольням расходится и в них труждающихся людей грудь ядом своим повреждает. Сие приметили также рудокопы по тяжелому запаху, который в рудниках бродит, дух занимает, свечи гасит, а особливо оказывается сей летучий яд тем, что в рудниках иногда загорается ».

Способностью взрываться обладает и угольная пыль. Причиной может стать не только открытый огонь, но и детонация. Пыль, образуясь при разрушении пласта, во время добычи и транспортирования угля, накапливается во всех разветвлениях горных выработок. Если происходил взрыв газа, он уже не ограничивался определенным участком, как это было бы в хорошо проветриваемом помещении – детонация от него вызывала взрыв пыли во всей шахте. Долгое время единственным способом борьбы было увлажнение подземных выработок, поскольку мокрая пыль становилась неопасной. Однако непрерывно поливать огромные площади не представлялось возможным, тем более что вода быстро испарялась. Несколько более эффективным оказалось осланцевание – посыпание мест скопления угольной пыли какой-либо измельченной инертной массой. Наиболее подходит для этого мелкая сланцевая пыль, которая, смешиваясь с угольной, делала ее негорючей и взрывобезопасной. Вполне себя оправдали и заградительные заслоны инертной пыли: под кровлей поперек штрека подвешивались полки с насыпанным на них все тем же измельченным глинистым сланцем, который взрывной волной сметался с опрокинутых полок, смешивался с угольной пылью и предотвращал распространение взрыва. Однако у этих способов был и существенный недостаток: пылевая взвесь засоряла воздух, еще более усугубляя проблему вентиляции.

Более опасным способом предотвращения взрывов было выжигание гремучего газа. После окончания смены, когда горняки поднимались на поверхность, в опустевшую шахту спускался газожог. Одетый в мокрый овчиный тулуп, он проползал по подземным галереям, держа в вытянутой руке открытую лампу или факел. Если под сводами оказывался гремучий газ, он взрывался, огненная волна проносилась по штрекам, весь скопившийся газ сгорал. К утру выработки проветривалась, и новая смена шахтеров спускалась в шахту. Относительная безопасность работы обеспечивалась зачастую ценой жизни газожога.

Взрывы в шахтах приводили к массовой гибели горняков от обвалов, огня, воды, ядовитых газов, удушья. Количество жертв могло достигать нескольких сотен человек. Спасательные работы начинались с возобновления естественной циркуляции воздуха, и только после удаления из забоя образовавшихся в результате взрыва опасных газов приступали к спасению выживших и эвакуации трупов. В случае сильного пожара, чтобы огонь не распространялся по штрекам, закрывали вентиляцию, устанавливали стенки из кирпича с глиной, перекрывая тем самым доступ к очагу возгорания кислорода.

Зачастую причиной пожаров и взрывов являлись применяемые для освещения факелы и лампы-коптилки – обычные бытовые светильники, не приспособленные для подземных работ. Собственно шахтерские лампы появились только к XVIII в. Они были факельного и фонарного типа, заправлялись маслом и крепились к деревянным стойкам шахтных крепей или устанавливались в нишах. Такого типа шахтные светильники были намного удобнее в эксплуатации, но без труда воспламеняли содержавшуюся в воздухе угольную пыль. Если это происходило вблизи трещины, из которой выделялся газ, он взрывался, причиняя значительные разрушения, что еще больше усиливало приток газа из старых выработок и провоцировало новые взрывы. При этом поглощалось огромное количество кислорода, и те рабочие, которые уцелели во время взрыва, погибали от удушья.

После ряда крупных катастроф на Ньюкаслских копях в 1809, 1812 и 1815 гг., вызванных взрывами гремучего газа английский химик Г. Дэви изобрел принципиально новую конструкцию шахтной лампы, предохранительный эффект в которой достигался за счет использования специальной мелкоячеистой металлической сетки, которая устанавливалась на обычной масляной лампе. В некоторых конструкциях, кроме того, использовалась подача во взрывчатую смесь, притекающую к лампе, различных нейтральных газов, выделяемых из продуктов горения (азот, углекислота). Такие лампы гасли во взрывоопасной среде.

В середине XIX в. появились бензиновые лампы Вольфа, спиртовые и ацетиленовые лампы Шено. Они получили широкое распространение не только из-за своей относительной безопасности, но и благодаря возможности с их помощью определять наличие в шахтной атмосфере взрывоопасного газа и даже измерять его процентное содержание по высоте пламени. В конструкцию шахтных светильников были введены затворы, исключающие их самопроизвольное раскручивание и раскрытие. Разжечь погасшую лампу стало возможно, не раскрывая ее – с помощью встроенного зажигателя. Лампы Вольфа в России назывались «коногонки» и производились на заводах и в мастерских Екатеринославского горно-промышленного общества юга России. Они использовались в шахтах с повышенным содержанием взрывоопасных газов вплоть до 1940-х гг. в качестве индикаторов наравне с электрическими. Последние появились в 70-х гг. XIX в. в результате работы русских ученых П.Н. Яблочкова, А.Н. Лодыгина, В.Н. Чиколева. В 1886 г. в Бельгии, Франции и США появились первые аккумуляторые лампы. Но по причине дороговизны и значительного веса их широкое применение началось лишь в 1912 г. В России электрические аккумуляторные светильники практически не использовались. Их производство было начато только в 1932 г. в Харькове. В СССР на негазовых шахтах использовались ацетиленовые лампы (т.н. «карбидки»), для шахт с повышенным содержанием газа в 1950 г. были введены ручные и головные аккумуляторные лампы. С 1960-х гг. лампы накаливания заменены люминесцентными. В конце 1980-х налажен серийный выпуск головных взрывобезопасных шахтных светильников типа СГГ с аккумуляторными батареями. Для освещения подземных выработок используются также стационарные рудничные светильники повышенной надежности.

Самопроизвольное возгорание угольных пластов в недрах земли, в результате которых на поверхность выделяется большое количество горючего газа, пожары в шахтах, уничтожавшие огромные запасы углей, которые невозможно было потушить годами, привели к мысли о подземной газификации угля. Тем более что разрабатывать пласты толщиной до полуметра абсолютно нерентабельно. Впервые об этом написал Д.И. Менделеев в 1888 г.:

«Настанет, вероятно, со временем даже такая эпоха, что уголь из земли вынимать не будут, а там, в земле, его сумеют превращать в горючие газы и их по трубам будут распределять на далекие расстояния ».

Практическое осуществление подземной газификации началось уже в советское время в Донецком и Подмосковном угольном бассейнах. Однако, обнаружение богатых месторождений нефти и природного газа с относительной дешевизной их добычи и переработки, большой теплотой сгорания, отсутствием балласта, хорошей транспортабельностью привели сначала (к 1960-м гг.) к преобладанию в мировом топливно-энергетическом балансе доли нефти над углем, а несколько позже – к быстрому истощению и отработке ряда месторождений. Вовлечение в эксплуатацию труднодоступных месторождений на больших глубинах морей и океанов и отдаленных необжитых районах вызвали значительное увеличение цен на нефть, газ и нефтепродукты и энергетический кризис начала 1970-х гг. Результатом стало повышение в мировой экономике значения ископаемых углей.

Внедрение в горное дело в ХХ в. высокопроизводительных машин позволило с одной стороны модернизировать подземную добычу, а с другой – вернуться к открытой разработке месторождений. При полной механизации работы на поверхности по сравнению с подземными более просты, удобны и экономичны. Добыча угля производится при помощи глубоких траншей, прорезающих породы, под которыми находится угольный пласт. Поэтому образовавшийся карьер называют разрезом. Для работ применяются различные типы экскаваторов. Отвальная порода первоначально вывозилась железнодорожными составами с паровозной или электровозной тягой, позже в эксплуатацию были введены транспортно-отвальные мосты, ленточные конвейеры которых переносили снятую пустую породу к отвалу на противоположной стороне карьера. Аналогичным способом из карьера на поверхность до погрузочных бункеров доставляется и сам уголь.

Помимо названных трех технологических направлений добычи угля (подземная механическая добыча, подземная газификация, открытая добыча) существует еще одно. Гидравлическая добыча угля представляет собой подземную разработку угольных месторождений, при которой процессы выемки, транспортирования и подъёма угля на поверхность выполняются энергией водного потока. Источником воды чаще всего является приток подземных вод в шахту.

Выбор способа угледобычи зависит от ряда условий и определяется на основании результатов комплекса геологоразведочных работ, которые включают следующие этапы:

Поисковые работы, позволяющие с помощью определенного набора признаков (прямых и косвенных), свидетельствующих о наличии угленосных формаций, обнаружить новые месторождения или перспективно оценить площади, на которых уже известно наличие промышленной угленосности. Позволяют дать предварительную (общего характера) геолого-промышленную оценку выявленных месторождений.

Предварительная разведка. Проводится при положительном результате поисковых работ. Дает более детальную картину и устанавливает общие закономерности в изменении морфологии угольных пластов и качества угля, степень сложности тектоники месторождения, сравнительную ценность отдельных частей месторождения. Основной целью является своевременное установление целесообразности продолжения разведочных работ.

Детальная разведка. Необходима в случае признания месторождения пригодным для промышленного освоения. Рассматриваются возможные потребители угля, основные требования к его качеству, способ вскрытия месторождения, технические границы, производственная мощность шахты или разреза, местоположение, ориентировочные сроки отработки площадей на ближайшие 10-15 лет. Уточняются детали геологического строения месторождения, его структурные особенности, морфология, условия залегания пластов, качество углей, горно-геологические условия разработки.

Доразведка. Проводится на месторождениях ранее детально разведанных, но промышленно не освоенных, либо на уже разрабатываемых. Подсчитываются и утверждаются вновь выявленные запасы угля и переоцениваются ранее утвержденные запасы.

Неотъемлемой частью геологоразведочного процесса являются гидрогеологические исследования, проводимые параллельно с основными геологоразведочными работами: определяются потенциальные ресурсы поверхностных и подземных вод, которые будут участвовать в обводнении горных выработок или использованы как источники водоснабжения.

При проведение инженерно геологических исследований устанавливается наличие вечной мерзлоты, возможность возникновения оползней, селей, лавин, прогнозируются степень устойчивости пород кровли, основных рабочих пластов, местоположение участков структурного ослабления, разрабатываются рекомендации по предупреждению явлений, осложняющих горно-эксплуатационные работы. Для открытой разработки рассчитываются коэффициенты и объемы вскрыши, углы откосов бортов разреза, оцениваются условия равновесия естественных склонов при их подработке и дополнительной нагрузке отвальными породами.

Промышленность и техника. Т.5: Горное дело и металлургия. - СПб: Тип. т-ва «Просвещение», 1904. - С. 252

Глушков А.И., Кондырев Б.И. Охрана окружающей среды при подземной газификации угля. Аналитический обзор. - Новосибирск, 1993. С 3-4

Почти 200 лет назад гениальный русский ученый М. В. Ломоносов совершенно правильно объяснил образование ископаемого угля из растительных остатков подобно тому, как образуется теперь торф. Ломоносов указал и условия, необходимые для превращения торфа в уголь: разложение растительности «без вольного воздуха», высокая температура внутри Земли и «тягость кровли», т. е. давление горных пород.

Нужно очень много времени, чтобы торф превратился в каменный уголь. Торф накапливается в болоте, а сверху болото зарастает все новыми и новыми слоями растений. На глубине торф постоянно изменяется. Сложные химические соединения, из которых состоят растения, распадаются на более простые. Одна часть растворяется и уносится с водой, другая переходит в газообразное состояние: углекислый и светильный газ - метан (этот же газ горит и в наших плитах). Большую роль при образовании угля играют грибки и бактерии, населяющие все торфяники. Они помогают разрушению растительной ткани. В процессе этих изменений торфа в нем накапливается наиболее стойкое вещество - углерод. Видоизменяясь, торф становится все более и более богатым углеродом.

Накопление углерода в торфе происходит без доступа кислорода, иначе углерод, соединяясь с кислородом, превратился бы полностью в углекислый газ и улетучился. Образующиеся слои торфа вначале изолируются от кислорода воздуха покрывающей их водой, затем вновь возникающими слоями торфа.

Так постепенно идет процесс превращения торфа в ископаемый уголь. Различают несколько основных видов ископаемого угля: лигнит, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, богхед и др.

Наиболее похож на торф лигнит - рыхлый уголь бурого цвета, не очень давнего происхождения. В нем ясно видны остатки растений, главным образом древесины (откуда и самое название «лигнит», что означает «деревянный»). Лигнит - это древесный торф. В современных торфяных болотах умеренной полосы торф образуется преимущественно из торфяного мха, осоки, камыша, но в субтропической полосе земного шара, например в лесных болотах Флориды в США, образуется и древесный торф, очень похожий на ископаемый лигнит.

При более сильном разложении и изменении растительных остатков создается бурый уголь. Цвет у него темно-бурый или черный; он крепче лигнита, в нем реже встречаются остатки древесины и разглядеть их труднее. При горении бурый уголь дает больше тепла, чем лигнит, так как он богаче углеродом. Бурый уголь со временем не всегда превращается в каменный. Известно, что бурый уголь Подмосковного бассейна одного и того же возраста, что и каменный уголь на западном склоне Урала (Кизеловский бассейн). Процесс превращения бурого угля в каменный происходит лишь тогда, когда слои бурого угля опускаются в более глубокие горизонты земной коры или происходят процессы горообразования. Для превращения бурого угля в — каменный или антрацит нужна очень высокая температура и большое давление в недрах Земли. В каменном угле уже только под микроскопом видны остатки растений; он тяжелый, блестит и часто бывает очень крепким. Некоторые сорта каменного угля сами или вместе с другими сортами коксуются, т. е. превращаются в кокс.

Наибольшее количество углерода содержит черный блестящий уголь - антрацит. Найти в нем остатки растений можно только под микроскопом. При сгорании антрацит дает тепла больше, чем все другие сорта угля.

Богхед - плотный черный уголь с раковистой поверхностью излома; при сухой перегонке дает большое количество каменноугольного дегтя - ценного сырья для химической промышленности. Богхед образуется из водорослей и сапропеля.

Чем дольше уголь лежит в земных пластах и чем сильнее он подвергается давлению и действию глубинного жара, тем больше в нем углерода. В антраците около 95% углерода, в буром угле - около 70%, а в торфе от 50 до 65%.

В болото, где первоначально накапливается торф, обычно вместе с водой попадают глина, песок и различные растворенные вещества. Они образуют минеральные примеси в торфе, которые потом остаются и в угле. Эти примеси нередко дают прослои, разделяющие пласт угля на несколько слоев. Примесь загрязняет уголь и затрудняет его разработку.

При сжигании угля все минеральные примеси остаются в виде золы. Чем лучше уголь, тем меньше в нем должно быть золы. В хороших сортах угля ее всего несколько процентов, но иногда количество золы достигает 30-40%. Если золы больше 60%, то уголь вообще не горит и не годится на топливо.

Угольные пласты бывают разные не только по своему составу, но и по строению. Иногда весь пласт во всю толщину состоит из чистого угля. Значит, он образовался в торфяном болоте, куда почти не попадала вода, загрязненная глиной и песком. Такой уголь можно сразу сжигать. Чаще же пласты угля чередуются с глинистыми или песчаными прослойками. Такие пласты угля называются сложными. В них, например, на пласт в 1 м мощностью приходится нередко 10-15 прослоев глины по нескольку сантиметров толщиной каждый, а на долю чистого угля приходится всего 60-70 см; при этом уголь может быть очень хорошего качества.

Чтобы получить из угля топливо с малым содержанием посторонних примесей, уголь обогащают. Из шахты породу сразу отправляют на обогатительную фабрику. Там добытую в шахте породу в особых машинах дробят на мелкие куски, а затем отделяют от угля все глинистые комочки. Глина всегда тяжелее угля, поэтому смесь угля с глиной промывают струей воды. Силу струи выбирают такую, чтобы она выносила уголь, а более тяжелая глина оставалась бы внизу. Затем воду с углем пропускают через частую решетку. Вода стекает, и уголь, уже чистый, лишенный глинистых частичек, собирается на поверхности решетки. Такой уголь называется обогащенным. Золы останется в нем совсем немного. Случается, что зола в угле оказывается не вредной примесью, а полезным ископаемым. Так, например, тонкая, глинистая муть, приносимая в болото ручьями и речками, нередко образует прослои ценной огнеупорной глины. Ее специально разрабатывают или собирают золу, остающуюся после сгорания угля, а затем используют для изготовления фарфоровой посуды и других изделий. Иногда в золе угля находят .

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Уже на протяжении практически 200 лет человечество использует запасы, которые формировались сотни миллионов лет. Такое расточительство когда-то приведет нас к краху и энергетическому кризису, пока мы не начнем более бережно относиться к своим ресурсам. Для лучшего понимания стоило бы узнать, как образовался каменный уголь и на сколько лет еще хватит разведанных запасов.

Потребность в энергоносителях

Все отрасли промышленности нуждаются в постоянном источнике энергии :

Энергия выделяется во время сгорания углеводородов. В этом плане нефть и газ - незаменимые ресурсы.
Возможно получение должного количества энергии за счет атомных электростанций. Расщепление атома отрасль перспективная, но парочка катастроф надолго отодвинули этот вариант на второй план.
Ветер, солнце и даже водные течения могут дать электричество. При должном подходе к вопросу и постройке современных сооружений.

Некоторые новые и перспективные отрасли на сегодняшний день практически не развиваются и человечество вынуждено и дальше сжигать уголь, коптить небо и получать крохи энергии. Подобное положение дел выгодно крупным корпорациям, получающим колоссальные доходы за счет продажи горючего топлива.

Возможно, в ближайшие десятилетия ситуация хоть немного изменится и перспективным проектам, по части альтернативных вариантов получения энергии, дадут «зеленый свет». Пока что можно лишь надеяться на благоразумие крупных инвесторов, которые предпочтут сиюминутным выгодам спасение от энергетического кризиса в будущем.

Откуда взялся уголь?

Касательно образования угля есть общепринятая научная теория :

Где-то 300-400 миллионов лет назад на Земле росло гораздо больше органики. Речь о растениях, гигантских зеленых растениях.
Как и все живое, растения погибали. Бактерии, на том этапе, не могли справиться с задачей полного разложения этих гигантов.
В условиях отсутствия доступа кислорода, формировались целые слои спрессованных и гниющих папоротников.
За проходящие миллионы лет менялись эпохи, сверху наслаивались другие образование, изначальный слой залегал все глубже и глубже.

Бытует мнение, что постепенно вся эта субстанция преобразовалась в торф, который в дальнейшем превратился в каменный уголь. Подобные преобразования происходят или могут происходить до сих пор, с теоретической точки зрения. Но лишь при наличии уже сформировавшегося торфа, достаточного количества растений для формирования новых слоев на Земле уже нет. Не та эпоха, не те климатические условия.

Стоит заметить, что объем изменялся уж очень серьезно . Потери при одном лишь переходе из торфа в уголь составляют 90% и это еще неизвестно, какой был изначальный объем погибших растений.

Свойства каменного угля

Все свойства угля можно разделить на значимые для природы и для человека:

Но все же, основным и наиболее интересным для нас является тот факт, что при сгорании каменного угля выделяется достаточное количество энергии. Примерно 75% от того, что можно получить, сжигая такой же объем нефти.

Защитников природы волнует совсем другое свойство - способность выделять углекислый газ при горении . Сожгите килограмм угля и получите почти 3 кг выбросов углекислого газа в атмосферу. Мировой объем потребления уже исчисляется миллиардами тонн полезного ископаемого, так что цифры совсем не шуточные.

Добыча каменного угля

В некоторых странах угольные шахты уже давно закрыли:

Низкая рентабельность. Сегодня гораздо выгоднее качать и продавать нефть с газом. Меньше затрат, меньше возможных последствий.
Высокий риск несчастных случаев. Катастрофы на шахтах не редкость и в современном мире, даже при соблюдении всех предосторожностей.
Практически полная выработка имеющихся резервов . Если страна приступила к выработке еще в позапрошлом веке и все время «кормилась» с одного угольного бассейна, не стоит от него много ожидать в наше время.
Наличие альтернативы . Речь идет не только о нефти и газе, свою нишу заняла и атомная энергетика. Внедряются солнечные батареи, ветряки, работают гидроэлектростанции. Процесс медленный, но неотвратимый.

Но кто-то все еще вынужден спускаться в шахту:

Добыча происходит на глубине до 1 км, как правило.
Дешевле всего добывать уголь не глубже 100 м, в таком случае это можно делать открытым методом.
В забой постоянно спускаются смены шахтеров, оснащенные инструментами и респираторами.
Роль ручного труда значительно снизилась, большую часть работы выполняют механизмы.
Несмотря на это, шахтеры постоянно рискуют оказаться под завалами и быть погребенными в импровизированной общей могиле.
Постоянное воздействие пыли вызывает проблемы с дыхательным трактом. Пневмокониоз официально признан профессиональным заболеванием.

В некоторой степени такой труд компенсируется солидными зарплатами и ранним выходом на пенсию.

Как появился уголь?

На образование каменного угля ушли сотни миллионов лет.

Вот как проходил процесс его образования на Земле:

Массово расплодились растения на поверхности, благодаря благоприятным климатическим условиям.
Постепенно они гибли, а микроорганизмы не успевали полностью переработать останки.
Органическая масса сформировала целый слой. В некоторых участках к нему отсутствовал доступ кислорода, особенно в болотной местности.
В анаэробных условиях особые микроорганизмы продолжали принимать участие в процессах гниения.
Сверху наслаивались новые слои, увеличивая давление.
Благодаря органической основе с большим количеством углерода, гниению, постоянному давлению и сотням миллионов лет произошло формирование угля.

Именно таким образом видят весь процесс ученые, основываясь на современных методах изучения.

Возможно, в эту картину еще будут внесены коррективы в дальнейшем, время покажет. А пока что нам остается лишь поверить ей или озвучить какие-то свои предположения. Но чтобы быть воспринятым всерьез, их придется доказывать.

Не обязательно знать, как образовался каменный уголь, чтобы наслаждаться всеми прелестями научно-технического прогресса. Но для общего развития стоит ознакомиться.

Видео о появлении каменного угля на Земле

В этом видео геолог Леонид Ярошин расскажет, как и где образовался каменный уголь, как его добывают и где применяют в данный момент:

С древних времен каменный уголь человечество использует в качестве одного из источников энергии. И в наши дни это полезное ископаемое применяется достаточно широко. Иногда его называют солнечной энергией, которая законсервирована в камне.

Применение

Уголь сжигают, получая тепло, которое идет для горячей воды и обогрева домов. Полезное ископаемое применяют в технологических процессах выплавки металлов. На тепловых станциях уголь путем сжигания преобразуется в электричество.

Научные достижения позволили использовать это ценное вещество иначе. Так, в химической промышленности успешно освоена технология, позволяющая получить из каменного угля жидкое топливо, а также такие редкие металлы, как германий и галлий. Из ценного ископаемого в настоящее время извлекаются углеграфитовые с выскокой концентрацией углерода. Также отработаны методы получения пластмассы и газообразного топлива высокой калорийности из угля.

Очень низкую фракцию низкосортного угля и его пыль после переработки прессуют в брикеты. Этот материал отлично подходит для отопления частных домов и производственных помещений. В целом выпускают более четырехсот наименований различной продукции после химической переработки, которой подвергается уголь. Цена на все эти продукты в десятки раз превышает стоимость исходного сырья.

На протяжении нескольких последних столетий человечество активно использует каменный уголь в качестве топлива, необходимого для получения, а также преобразования энергии. Причем потребность в этом ценном ископаемом в последнее время возрастает. Этому способствует развитие химической промышленности, а также необходимость в получаемых из него ценных и редких элементов. В связи с этим в России на сегодняшний день ведется интенсивная разведка новых месторождений, создаются шахты и карьеры, строятся предприятия для переработки этого ценного сырья.

Происхождение ископаемого

В давние времена на Земле был теплый и влажный климат, в котором бурно развивалась разнообразная растительность. Из нее в дальнейшем и образовался каменный уголь. Происхождение этого ископаемого кроется в скоплении миллиардов тонн отмершей растительности на дне болот, где они покрывались наносами. С той поры прошло около 300 млн. лет. Под мощным прессом песка, воды и различных пород растительность медленно разлагалась в бескислородной среде. Под воздействием высоких температур, которые давала близко расположенная магма, происходило затвердевание этой массы, которая постепенно превращалась в каменный уголь. Происхождение всех существующих месторождений имеет только такое объяснение.

Запасы полезного ископаемого и его добыча

На нашей планете имеются большие залежи каменного угля. Всего, по подсчетам специалистов, земные недра хранят в себе пятнадцать триллионов тонн этого полезного ископаемого. Причем добыча каменного угля по своему объему стоит на первом месте. В год она составляет 2,6 миллиарда тонн, или 0,7 тонны на одного жителя нашей планеты.

Месторождения каменного угля в России находятся в различных регионах. Причем в каждом из них полезное ископаемое обладает различными характеристиками и имеет свою глубину залегания. Ниже приведен перечень, в который входят самые крупные месторождения каменного угля в России:

Оно располагается в юго-восточной части Якутии. Глубина залегания угля в этих местах позволяет осуществлять открытую добычу ископаемого. Это не требует особых затрат, что сказывается на снижении стоимости конечного продукта.
Тувинское месторождение. По оценкам экспертов, на его территории находится около 20 млрд. тонн полезного ископаемого. Месторождение весьма привлекательно для разработки. Дело в том, что восемьдесят процентов его залежей располагается в одном пласте, имеющем толщину в 6-7 метров.
Минусинские месторождения. Они располагаются в республике Хакассия. Это несколько месторождений, самыми крупными из которых являются Черногорское и Изыхское. Запасы бассейна невелики. По оценкам специалистов, они составляют от 2 до 7 млрд тонн. Здесь добывают очень ценный по своим характеристикам уголь каменный. Свойства полезного ископаемого таковы, что при его сгорании фиксируется очень высокая температура.
Это месторождение, расположенное на западе Сибири, дает продукт, используемый в черной металлургии. Уголь, который добывают в этих местах, идет для коксования. Объем залежей здесь просто огромен.
Это месторождение дает продукт самого высокого качества. Наибольшая глубина залегания пластов полезного ископаемого достигает пятисот метров. Добыча ведется как в открытых разрезах, так и в шахтах.

Каменный уголь в России добывают в Печорском угольном бассейне. Активно разрабатываются месторождения и в Ростовской области.

Выбор угля для производственного процесса

В различных отраслях промышленности существует потребность в разных марках полезного ископаемого. Какие же отличия имеет уголь каменный? Свойства и качественные характеристики этого продукта колеблются в широких пределах.

Это происходит даже в том случае, если уголь имеет одинаковую маркировку. Дело в том, что характеристики ископаемого зависят от места его добычи. Именно поэтому каждое предприятие, выбирая уголь для своего производства, должно ознакомиться с его физическими характеристиками.

Свойства

Уголь различается по следующим свойствам:

Степень обогащения

В зависимости от цели использования может быть приобретен различный уголь каменный. Свойства топлива при этом становятся понятны, исходя из степени его обогащения. Выделяют:

1. Концентраты. Такое топливо находит применение при получении электро- и теплоэнергии.

2. Промышленные продукты. Их используют в металлургии.

3. мелкая фракция угля (до шести миллиметров), а также пыль, образующаяся в результате дробления породы. Из шлама формируют брикеты, имеющие хорошие эксплуатационные свойства для бытовых твердотопливных котлов.

Степень углефикации

По данному показателю различают:

1. Бурый уголь. Это тот же каменный уголь, только частично сформированный. Свойства его несколько хуже, чем у более качественного топлива. Бурый уголь выдает низкую теплоту при сгорании и крошится при транспортировке. Кроме того, у него есть склонность к самовозгоранию.

2. Каменный уголь. Этот вид топлива имеет большое количество сортов (марок), свойства которых различны. Его широко применяют в энергетике и металлургии, ЖКХ и химической промышленности.

3. Антрациты. Это наиболее качественный вид каменного угля.

Свойства всех этих форм полезного ископаемого значительно отличаются друг от друга. Так, самой низкой теплотой сгорания характерен бурый уголь, а самой высокой - антрациты. Какой же лучше всего приобрести уголь? Цена должна быть экономически целесообразной. Исходя из этого, стоимость и удельная теплота в оптимальном соотношении находятся у простого каменного угля (в пределах 220 долларов за тонну).

Классификация по размерам

При выборе угля важно знать его размеры. Этот показатель зашифрован в марке полезного ископаемого. Итак, уголь бывает:

- «П» - плитный, который представляет собой большие куски свыше 10 см.

- «К» - крупный, размеры которого составляют от 5 до 10 см.

- «О» - орех, он также достаточно крупный, с размерами фрагментов от 2,5 до 5 см.

- «М» - мелкий, с небольшими кусками в 1,3-2,5 см.

- «С» - семечко - дешевая фракция для длительного тления с размерами в 0,6-1,3 см.

- «Ш» - штыб, представляющий собой по большей части угольную пыль, предназначенный для брикетирования.

- «Р» - рядовой, или бесстандартный, в котором могут быть фракции различных размеров.

Свойства бурого угля

Это наименее качественный каменный уголь. Цена у него самая низкая (около ста долларов за тонну). образовывался в древних болотах путем прессования торфа на глубине около 0,9 км. Это наиболее дешевое топливо, содержащее большое количество воды (около 40%).

Кроме того, бурый уголь имеет довольно низкую теплоту горения. В нем находится большое количество (до 50%) летучих газов. Если использовать бурый уголь для топки печи, то он по своим качественным характеристикам напомнит сырые дрова. Продукт тяжело разгорается, сильно дымит и оставляет после себя большое количество золы. Часто из этого сырья готовят брикеты. Они обладают неплохими эксплуатационными характеристиками. Их цена находится в пределах от восьми до десяти тысяч рублей за тонну.

Свойства каменного угля

Данное топливо более качественное. Каменный уголь - это горная порода, имеющая черный цвет и матовую, полуматовую или блестящую поверхность.

В этом виде топлива содержится всего пять-шесть процентов влаги, из-за чего оно обладает высокой теплотой сгорания. По сравнению с дубовыми, ольховыми и березовыми дровами каменный уголь дает тепла в 3,5 раза больше. Минусом такого вида топлива является его большая зольность. Цена на каменный уголь летом и осенью находится в пределах от 3900 до 4600 рублей за тонну. Зимой стоимость данного топлива увеличивается на двадцать-тридцать процентов.

Хранение угля

Если топливо предполагается использовать на протяжении длительного срока, то его необходимо разместить в специальном сарае или бункере. Там оно должно быть защищено от прямых солнечных лучей и от осадков.

Если кучи угля большие, то при хранении нужно постоянно контролировать их состояние. Мелкие фракции в сочетании с высокой температурой и влагой могут самовозгораться.

Денежная удача