Вугілля кам’яне

Вугі́лля кам’яне́ — різновид викопного вугілля, за ступенем вуглефікації проміжний між бурим вугіллям і антрацитом.

Історична довідка

Утворилося з продуктів розкладу органічних залишків рослин, що зазнали метаморфізму в умовах високого тиску навколишніх порід земної кори і порівняно високої температури.

Утворення вугілля кам’яного характерне майже для всіх геологічних систем — від девону до неогену (включно); воно активно утворювалося в кам’яновугільному, пермському та юрському періодах.

Залягає у формі пластів і лінзовидних покладів різної потужності (від десятків сантиметрів до декількох сотень метрів) на різних глибинах (від виходів на поверхню до 2 500 м і глибше).

Має нейтральний склад органічної маси, не реагує зі слабкими лугами ні у звичайних умовах, ні під тиском.

Бітуми вугілля кам’яного, на відміну від бурого вугілля, представлені переважно сполуками ароматичної структури. У вугілля кам’яного не виявлені жирні кислоти та естери, мало сполук зі структурою парафінів.

Належить до гумолітів; сапропеліти і гумітосапропеліти присутні як лінзи та невеликі прошарки.

Характеристика

Хімічний склад

Елементний склад органічної речовини вугілля кам’яного: 75–92 % Карбону (C), 2,5–5,7 % Гідрогену (H), 1,5–15% Оксигену (O), 2–48 % летких речовин.

Фізичні властивості

Вологість 1–12 %. Вища теплота згоряння в перерахунку на сухий беззольний стан — 30,5–36,8 МДж/кг.

Щільна осадова порода чорного, іноді сіро-чорного кольорів. Блиск смоляний або металічний.

Вугілля кам’яне поділяють на блискуче, напівблискуче, напівматове, матове. Залежно від переважання тих або інших петрографічних компонентів виділяють вітренове, кларенове, дюрено-кларенове, кларено-дюренове, дюренове і фюзенове вугілля кам’яне. Пласти можуть бути складені одним із наведених літотипів, частіше їхнім чергуванням. Зазвичай блискучі відміни вугілля малозольні внаслідок незначного вмісту мінеральних домішок.

Виділено 4 типи структури органічної речовини вугілля — телінітова, посттелінітова, преколінітова і колінітова, що є послідовними стадіями єдиного процесу розкладання лігніно-целюлозних тканин. До генетичних груп кам’яного вугілля, крім цих 4 типів, додатково включено лейптинітове вугілля. Кожну з 5 генетичних груп за типом речовини мікрокомпонентів вугілля поділено на відповідні класи.

У процесі занурення вугленосної товщі на глибину в умовах підвищення тиску і температури відбувається послідовне перетворення органічної маси, зміна її хімічного складу, фізичних властивостей і молекулярної будови. Усі ці перетворення позначають терміном «регіональний метаморфізм вугілля». На кінцевій стадії метаморфізму вугілля кам’яне перетворюється в антрацит з яскраво вираженою кристалічною структурою графіту. Крім регіонального метаморфізму, іноді мають місце перетворення від впливом тепла вивержених порід, що знаходяться поряд із вугленосними товщами (перекривають або підстилають їх) — термальний метаморфізм, а також безпосередньо у вугільних пластах — контактовий метаморфізм.

Зростання міри метаморфізму в органічній речовині вугілля кам’яного простежується послідовним збільшенням відносного вмісту Карбону і зменшенням вмісту Оксигену і Гідрогену. Послідовно знижується вихід летких речовин (від 50 до 8 % у перерахунку на сухий беззольний стан); змінюються також теплота згоряння, здатність спікатися і фізичні властивості вугілля. Зокрема, лінійно змінюються блиск, відбивна здатність вітриніту, насипна маса вугілля тощо.

Інші фізичні властивості (пористість, густина, щільність, спікливість, теплота згоряння, пружні властивості та інші) змінюються або за яскраво вираженим параболічним законом, або за змішаним.

Як оптичний критерій стадії метаморфізму вугілля використовують показник відбивної здатності вітриніту; його застосовують також у нафтовій геології для встановлення стадії катагенного перетворення осадової товщі, що містить органічну речовину. Щільність та густина вугілля кам’яного залежать від петрографічного складу, кількості і характеру мінеральних домішок та міри метаморфізму. Найбільша густина (1 300–
1 500 кг/м3) — у компонентів групи фюзиніту, найменша (1 280–1 300 кг/м3) — у групи вітриніту. Зміна густини з підвищенням міри метаморфізму відбувається за параболічним законом з інверсією в зоні переходу до групи жирних; у малозольних різновидах вона знижується від вугілля марки Д до марки Ж у середньому від 1 370 до 1 280 кг/м3 і послідовно зростає для вугілля марки П до 1 340 кг/м3.

Загальна пористість вугілля змінюється також за екстремальним законом. Для вугілля Донецького вугільного басейну марки Д вона становить 22–14 %, вугілля марки К — 4–8 % і збільшується до 10–15 % для вугілля марки П.

Ендогенна тріщинність (розвинена в процесі утворення вугілля), що оцінюється кількістю тріщин на кожні 5 см блискучого вугілля, контролюється стадією метаморфізму вугілля: вона зростає до 12 тріщин при переході бурого вугілля в довгополуменеве, має 35–60 для коксівного і послідовно зменшується до 12–15 при переході до антрацитів. Такій же закономірності підлеглі зміни пружних властивостей вугілля — модуля Юнга, коефіцієнта Пуассона, модуля зсуву, швидкості ультразвуку.

Механічна міцність вугілля кам’яного характеризується дробимістю, крихкістю та твердістю, тимчасовим спротивом стисненню. Вугільна речовина діамагнітна (див. Діамагнетизм), мінеральні домішки мають парамагнітні властивості. Магнітна сприйнятливість вугілля зростає зі збільшенням стадії метаморфізму. За тепловими властивостями вугілля кам’яне наближається до теплоізоляторів.

Головні технологічні властивості, що визначають його цінність: спікливість і коксівна здатність.

Різновиди

Існують різні класифікації вугілля кам’яного: за речовинним та петрографічним складом, генетичні, хіміко-технологічні, промислові та змішані.

За основу промислової класифікації вугілля в окремих країнах беруть різні параметри властивостей і складу вугілля: у США класифікують за теплотою згоряння, вмістом зв’язаного Карбону і відносним умістом летких речовин; в Японії — за теплотою згоряння, т. з. паливним коефіцієнтом і міцністю коксу або нездатністю до коксування.

В СРСР до 1954 як основна промислова класифікація діяла розроблена в 1930 т. з. донецька класифікація. Її ще називають марочною і генетичною, оскільки покладені в її основу зміни властивостей вугілля віддзеркалюють їхній зв’язок із генетичним розвитком органічної речовини вугілля. В Україні використовувалася стандартизована класифікація вугілля. За середнім виходом летких речовин і характеристикою нелеткого залишку з урахуванням спікливості і величини теплоти згоряння вугілля кам’яне поділяли на 10 основних марок: довгополуменеве (Д), газове (Г), газовожирне (ГЖ), жирне (Ж), коксове жирне (КЖ), коксівне (К), коксове друге (К2), слабкоспікливе (СС), опіснене спікливе (ОС) і пісне (П). Від марки Д до марки П вміст Карбону послідовно збільшується від 76 до 92 %, а вихід летких речовин зменшується з 42 до 7–12 %. У кожній з марок, крім Д і Г, за технологічними властивостями виділяють декілька технологічних груп. Для Донбасу виділяють такі марки вугілля: Д, Г, ГЖ, Ж, К, ОС, П; для Львівсько-Волинського басейну: Д, Г, ГЖ, Ж. Класифікація вугілля весь час удосконалюється.

Однією з перспективних вважають геолого-промислову класифікацію, концепцію якої запропоновано наприкінці 20 ст. (С. Пожидаєв [1956; Україна] та інші).

Станом на кінець 2020 діє варіант класифікації вугілля за Стандартом України «Вугілля буре, кам’яне та антрацит» (ДСТУ 3472:2015).

Розташування родовищ

Найбільші розвідані запаси вугілля кам’яного в Україні зосереджені в Донецькому та Львівсько-Волинському вугільних басейнах.

За кордоном — у Карагандинському, Південно-Якутському, Мінусинському, Буреїнському, Тунгуському, Ленському, Таймирському (РФ), Аппалацькому, Пенсильванському (США), Нижньорейнсько-Вестфальському (Німеччина), Верхньосілезькому (Польща), Остравсько-Карвінському (Чехія), Шаньсі (Китай), Південновельському (Велика Британія) та інших басейнах.

Станом на 2019 балансові запаси вугілля кам’яного марок A+B+C1 в Україні складають (у тисячах т): 41 402 940.00; категорії С2 — 11 233 218.00.

Переробка і використання

Вугілля кам’яне використовують як технологічну, енерго-технологічну і енергетичну сировину під час виробництва коксу і напівкоксу з отриманням великої кількості хімічних продуктів (нафталін, феноли, пек тощо), на основі яких одержують добрива, пластмаси, синтетичні волокна, лаки, фарби тощо. Один з найбільш перспективних напрямів використання — скраплення — гідрогенізація вугілля з отриманням рідкого палива. Під час переробки вугілля кам’яного отримують також активне вугілля, штучний графіт тощо; у промислових масштабах вилучають ванадій, германій і сірку; розроблені методи отримання галію, молібдену, цинку, свинцю. Існують різні схеми неенергетичного використання вугілля кам’яного на основі термохімічної, хімічної та іншої переробок із метою їхнього повного комплексного використання і забезпечення охорони довкілля.

Значення

На початку 21 ст. вугілля кам’яне в Україні розглядали як надійний ресурс забезпечення національної енергетичної безпеки. Для задоволення потреб економіки Україна щорічно використовувала близько 100 млн т вугілля, з яких майже 80 млн т видобували вітчизняні підприємства.

Додатково

Див. також Антрацит, Вугілля викопне, Вугілля коксівне.

Джерела

  • ДСТУ 3472:2015. Вугілля буре, кам’яне та антрацит. Класифікація. Київ : Держстандарт України, 2016. 8 с.

Література

  1. Coal Science : in 3 vol. / Ed. by M. Gorbaty, J. Larsen, I. Wender et al. New York : Academic Press, 1982–1984.
  2. Coenen R. Steinkohle. Berlin : Springer, 1985. 456 p.
  3. Саранчук В. И., Айруни А. Т., Ковалев К. Е. Надмолекулярная организация, структура и свойства углей. Киев : Наукова думка, 1988. 191 с.
  4. Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / За ред. В. С. Білецького. Донецьк : Східний видавничий дім, 2004–2013.
  5. Саранчук В. І., Ільяшов М. О., Ошовський В. В. та ін. Основи хімії і фізики горючих копалин. Донецьк : Східний видавничий дім, 2008. 640 с.
  6. Короткий словник з петрографії вугілля / Уклад.: Г. Маценко, В. Білецький, Т. Шендрік. Донецьк : Східний видавничий дім, 2011. 74 с.
  7. Freese B. Coal: A Human History. New York : Basic Books, 2016. 384 p.

Автор ВУЕ

В. С. Білецький

Покликання на цю статтю

Покликання на цю статтю: Білецький В. С. Вугілля кам’яне // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Вугілля кам’яне (дата звернення: 30.11.2020).


Оприлюднено

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено:
09.10.2020

Офіційний телеграм-канал ВУЕОфіційний телеграм-канал ВУЕ