книги из ГПНТБ / Черноусов Я.М. Уголь на Урале

если он проявляется на месторождении, то геологи и эксплуатационники могут ожидать резкого изменения качественных свойств углей. Профессор Ю. А. Жемчуж­ ников писал, что в лабораторных условиях для превра­ щения торфа в бурый уголь нужна температура 150—

200°, бурого угля в каменный — 300—350°, а каменного в антрацит — около 500°. Такие температуры неизбежно

возникают при извержениях.

Но как влияет на возрастание зрелости угля его ор­ ганическое вещество? Всякое ли органическое вещество одинаково восприимчиво к метаморфизму? Оказывается,

нет. Результаты анализа очень древнего (около 300 мил­ лионов лет) девонского угля, обнаруженного по реке

Калье, показывают, что это бурый уголь. Он содержит летучих веществ около 63%, углерода на горючую мас­

су — 66%, водорода — более 7%, а сумма кислорода и азота превышает 25%. Почему же этот уголь древ­ него возраста, испытавший на себе влияние вертикально­ го, и бокового давлений, остался столь незрелым бурым?

Можно привести и некоторые другие примеры. В Ки-

зеловском бассейне пласты угля, имеющего по химиче­ скому составу состояние бурого, залегают иногда под

сравнительно зрелыми каменными углями. На Буланаш-

Елкинском месторождении угли каменные, но среди них

встречается уголь со свойствами бурого. Чем это можно объяснить?

Дело в том, что угли, как мы уже выяснили, проис­ ходят из неоднородного и неравноценного органического вещества. Например, угли бассейна реки Кальи (девон­ ского возраста) образовались из стойких так называе­

мых кутинизованных элементов — кутикулы, которая

очень устойчива к метаморфизму. «Бурые» угли Кизелов-

ского бассейна и Буланашского месторождения образо­ вались преимущественно из низших растений — водоро­ слей, содержащих «жировое» вещество. Еще более стойки к метаморфизму угли, образовавшиеся из смолы, назы­

ваемые СМ1ОЛЯНЫМИ липтобиолитами. Они встречают­ ся в Северо-Сосьвинском угленосном бассейне. Таким:

образом, выясняется, что угли, образовавшиеся из выс­ ших растений, чувствительнее, податливее к метаморфи­

зму. Более стойки сапропелевые угли, происшедшие из ■низших растений. Наконец, липтобиолиты (угли, образо­

47

вавшиеся из стойких остатков растений) еще устойчи­

вее к метаморфизму.

Вот почему на одном и том же месторождении может

быть, так сказать, избирательный, или дифференциро­ ванный, метаморфизм.

При метаморфизме угля повышаются его качествен­ ные свойства. Но иногда уголь в земле разрушается, и

качество его ухудшается. Уголь может самонагреваться

■и самовозгораться. Такие случаи известны давно. Однаж­ ды шедший в Гамбург корабль загорелся с трюма: без всякой видимой причины вспыхнул лежащий в нем уголь. Немецкий ученый Либих сделал прогноз: уголь загорелся из-за присутствия в нем серного колчедана, который может самовозгораться. У нас, на Урале, сер­ ный колчедан не раз загорался в шахтах. Но некоторые угли почти не содержат его, например, богословские,

и все-таки самовозгораются. Многие ученые считают, что причина этого явления кроется в примеси волокон

обугленного вещества (фюзена) типа современного дре­ весного угля. Однако и это объяснение неверно, Поче­ му же происходит самовозгорание? Уголь образовался из растений, листья которых содержат хлорофилл — ве­ щество, придающее им зеленый цвет. Зеленые вещества

поглощают солнечную теплоту и как бы задерживают,

аккумулируют, в себе солнечную энергию. Так растение, подобно губке, впитывающей в себя воду, наполняется солнечной энергией — теплотой. Это дает ему возмож­

ность поглощать углекислый газ атмосферы и обога­ щаться углеродом. И чем выше зрелость угля, тем выше

содержание в нем углерода. Если угольный пласт зале­

гает в недрах земли на больших глубинах, к нему не по­

ступает кислорода. Но пласт может оказаться на поверх­ ности земли: или движения земной коры приподнимут

его, или возникшее русло обнажит, а, может быть, вы­ пашет ледник. Тогда уголь пласта начинает жадно по­

глощать кислород. При этом образуется углекислый газ и выделяется влага. Реакция сопровождается выделе­ нием тепловой энергии. Так при окислении, которое про­ исходит в процессе выветривания, начинается самонагре­ вание угля, и затем может наступить самовозгорание. Этому способствуют также термофильные бактерии, раз­ вивающие свою деятельность при выветривании угля. Бурые угли самовозгораются при температуре пример-

48

Таблица 2

но 140°, каменные — при 160°. Антрациты менее чувстви­ тельны к окислению и самовозгоранию.

Угольные пласты при выветривании уменьшаются по мощности в 10—12 раз. Качество углей сильно пони­ жается: зольность иногда возрастает вдвое, увеличивает­ ся количество гуминовых кислот, понижается содер­ жание углерода и коксующая способность. Порой уголь оказывается настолько выветрелым, что становится не­ пригодным для использования.

Случаи самовозгорания углей широко известны в Северо-Сосьвинском угленосном бассейне. Там склоны берегов с танцующим, «пьяным» лесом оползают к реке Толье и обнажают угольные пласты. Развивающаяся при

окислении температура вызывает самовозгорание углей.

Возникающие пожары захватывают породы почвы и кровли, которые начинают вспучиваться и плавиться.

Горельники — продукт плавления и обжига пород при

самовозгорании угля — образуют иногда возвышенно­ сти — сопки, встречающиеся в бассейне Северной Сосьвы.

Итак, уголь переживает три основные фазы углеобразования: сначала образуются торф и сапропель различ­ ной степени разложения; затем, на фазе углефикации, происходит образование бурого и каменного угля и ан­ трацита. Это процесс стадийный. Бурый уголь из торфо­ подобного превращается в землистый и затем плотный.

Каменные угли из длиннопламенных (Д) становятся га­ зовыми (Г), паровично-жирными (ПЖ), коксовыми (К), паровично-спекающимися (ПС) и, наконец, тощими (Т).

Антрацит (А) также имеет стадийное развитие. Он в процессе углефикации может превратиться даже в гра­ фит.

На преобразование органического вещества в торф и сапропель, а затем в каменный уголь и антрацит воздей­ ствуют биохимические и биогеохимические факторы.

Биохимические факторы углеобразования — это микро­ организмы, вода, воздух (кислород), кислоты и щелочи.

Особенно велика роль этих факторов при образовании

торфа и сапропеля. При углефикации их значение пони­ жается. Но если уголь окажется на дневной поверхно­ сти, то наступает третья фаза — выветривание, и значе­ ние биохимических факторов возрастает с новой силой.

К биогеохимическим факторам углеобразования при-

надлежат: исходный материал, геологическое время, тем-"

пература и давление. Их роль проявляется главным об­ разом тогда, когда залежь торфа или сапропеля оказы­ вается погребенной породами кровли. Впрочем, биогео­ химические факторы отделены от биохимических в из­

вестной степени условно. Некоторые из них (особенно'

исходный материал и геологическое время) оказывают влияние не только при углефикации, но и при разложе­

нии органического вещества. В ходе метаморфизма про­ исходит изменение внутренней структуры вещества.

Торф имеет аморфное строение. Коллоидная структура проявляется в бурых углях, а также в каменных низкой степени углефикации. В зрелых каменных углях и антра­ цитах уже распознается кристаллическое строение. При выветривании каменный уголь и антрацит, по-видимому, начинают приобретать снова коллоидное строение.

Углеобразование сопровождается изменением хими­ ко-технологических показателей и качественных свойств. Это можно проследить на примере образования гумусо­ вых углей. При образовании торфа происходит накопле­ ние гуминовых кислот. В бурых углях их содержание понижается, а в каменных углях и антрацитах их нет совсем. Однако в процессе выветривания количество гу­ миновых кислот может резко возрасти.

Углефикация — это в сущности обогащение угля углеродом. Одновременно с возрастанием содержания углерода понижается при углефикации содержание водорода, кислорода, уменьшается выход летучих ве­ ществ...

Теплотворная способность в общем возрастает. Но

эту закономерность нарушают коксовые угли. Их тепло­ творная способность обыкновенно выше, чем тощих углей и антрацитов. Здесь сказывается благоприятное соотно­

шение содержания углерода и водорода. Коксовые угли обладают и наивысшей коксующей способностью.

При выветривании угля возрастает содержание кис­ лорода, уменьшается количество углерода, понижаются

теплотворная и коксующая способности...

Основные фазы углеобразования, биохимические и биогеохимические факторы, а также направление изме­ нения некоторых физических и химико-технологических показателей и качественных свойств горючих образова­ ний сведены в таблицу 2. Утолщение линий условно по­ казывает возрастание значения того или иного фактора

50

или повышение содержания определенного компонента;

пунктирные линии обозначают лишь возможное участие тех или иных^факторов в процессе углеобразования,

ЧТО ТАКОЕ УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ?

Угольным пластом называется естественная залежь,

ограниченная двумя более или менее параллельными

плоскостями. На большинстве угольных месторождений Урала уголь залегает именно в виде пластов, но может он встречаться и в виде линз, штоков. В 1948 году в Красноуфимском районе была пробурена скважина. В молодых, третичных отложениях она подсекла «пласт» мощностью около 12 метров. Геологи думали, что они об­ наружили крупное месторождение типа некоторых из

Южно-Уральского угленосного бассейна. Приближался праздник — годовщина Октябрьской революции. И, как было в то время принято, геологи послали телеграмму в

Министерство угольной промышленности об открытии

нового угольного месторождения — подарка к годовщине Октябрьской революции. На этом участке были сосредо­ точены буровые работы. Новая скважина была задана в 200 м от предыдущей, встретившей уголь, но угля не ока­ залось. Тогда заложили скважину на расстоянии 100 ж и снова уголь не был встречен. Пришлось интервал со­ кратить на 50, затем на 25, но угля не было. Получился большой конфуз... Заложили шурф, благо уголь был об­ наружен на глубине, не превышающей 20 м. Шурф под­ твердил присутствие угля. Из шурфа задали рассеТки, и оказалось, что уголь имеет не пластовое залегание, а чечевицеобразное, или штокообразное... Он образовался в небольшой карстовой воронке, среди известняков.

Другой пример относится к так называемому Липовскому месторождению,, расположенному в Режевском районе. И там уголь был встречен буровой скважиной...

Мощность «пласта» свыше 20 м и неглубокое залегание,,

естественно, вселяли уверенность, что вновь открытое ме­ сторождение можно разрабатывать открытым спосо­ бом—разрезами. Начала форсированно развиваться разведка. Но угля не оказалось... Он, как потом устано­ вили, залегает в виде очень небольшой по площади лин­

зы. Его происхождение связано с накоплением расти­ тельного материала в русле маленькой речки.

ным свойством текучести, перемещается из зон большо­

го давления в зоны сравнительно небольшого давления. Так возникают раздувы и выклинивания. На Егоршинском, Махневском, Полтавском и Брединском месторож­ дениях угольные пласты иногда «прерываются» вследст­ вие того, что в тело угольного пласта внедряются, вдав­ ливаются породы почвы и кровли. Угольное вещество при этом выжимается, скапливается в некоторых местах, образуя раздувы (рис. 16) и превращается при переме­ щении в осколочную или даже пылевидную массу.

Есть ряд других причин, которые вызывают измене­

ние мощности угольных пластов. Одна из них — размы­ вы речными потоками. Кто не видел речек, пробираю­ щихся среди торфяника? Торфяные речки обыкновенно несут коричневую или черную воду. Берега их заболоче­ ны, но на дне русла залегают гальки, песок и глина. Если из этого торфа образуется уголь, то на месте русла мощность угольного пласта будет меньше или он будет полностью размыт. Таких размывов во время образова­ ния угольных пластов было особенно много в Кизелов-

ском бассейне. Здесь они происходили во время накоп­ ления угольного вещества, в процессе образования за­ лежи торфа и уже после того, как торфяник был покрыт породами кровли.

Но нельзя думать, что мощность всех угольных пла­ стов изменяется очень сильно. Есть пласты, которые прослеживаются на очень больших площадях. Так, на­ пример, на Оторьинском месторождении Северо-Сосьвин-

ского угленосного бассейна мощность Основного, или Главного, пласта почти не изменяется на площади более

25 квадратных километров.

Эксплуатационников во время разработки могут встретить различные неожиданности в отношении изме­ нения мощности угольных пластов. Задача геолога — раскрыть все «капризы» природы и предупредить о них шахтеров.

ГДЕ ИСКАТЬ УГОЛЬ?

В распространении угленосных отложений есть целый ряд закономерностей — стратиграфических, литологи­ ческих, тектонических и геоморфологических.

Стратиграфические закономерности показывают, к ка^

53

кому геологическому возрасту приурочены угленосные

отложения. У нас, на Урале, как уже было отмечено раньше, угольные пласты связаны с отложениями девон­

ского, нижнекаменноугольного, пермского, верхнетриасо­ вого, нижне- и среднеюрского, верхнеюрского и тре­ тичного возраста. Наибольшая концентрация угольных пластов наблюдается в отложениях нижнекаменноуголь­ ного, пермского, юрского и третичного возраста. Перм­ ские и третичные угленосные отложения распространены

преимущественно на западном склоне Урала, нижнека­ менноугольные— на восточном и на западном склонах, верхнетриасовые и юрские — главным образом на во­

сточном склоне. Хотя угольные пласты могут быть встречены и в отложениях иного возраста, но они едва ли заслуживают внимания. Так, на восточном склоне

могут быть обнаружены, по-видимому, угли мелового возраста, но это — незначительные скопления.

Но во всяких ли отложениях этого возраста может быть уголь? Не во всяких. Литологические закономерно­ сти (литое — порода, логос — изучение) указывают, сре­ ди каких пород нужно искать уголь. Обычно принято считать, что угольные пласты встречаются среди осадоч­ ных пород, но не изверженных. Однако в 1948 году на участке Северный Артем Егоршинского месторождения

была заложена буровая скважина на изверженных поро­ дах-порфиритах. Скважина прошла, примерно, 50 мет­ ров по порфиритам, а потом врезалась в угленосную толщу и подсекла угольные пласты. Потом разведочны­

встречены под порфиритами потому, что последние были надвинуты на угленосные отложения уже после образо­

вания угля. На Махневском месторождении извержен­ ные породы связаны с угольными пластами потому, что при внедрении их уголь был сравнительно рыхлым и по­ датливым.

54

Угольные пласты следует искать среди осадочных по­ род, прежде всего континентального происхождения. Но их можно обнаружить среди прибрежно-морских и мор­

ских пород. Так, на Богословском и частично на Волчан-

ском месторождениях сравнительно молодые угольные пласты верхнетриасового возраста залегают в восточной части под более древними известняками девонского воз­

раста. Но это явление объясняется тем, что девонские известняки были надвинуты на угольные залежи через

много миллионов лет после их образования. На Махнов­ ском месторождении некоторые угольные пласты за­ ключены среди пород морского происхождения — гли­ нистых известняков. Эти угольные пласты образовались

в морской лагуне за счет приносного растительного мате­ риала. Но такие явления сравнительно редки.

Среди каких же пород следует ожидать распростра­

нения угольных пластов? В северной части Волчанского месторождения они залегают преимущественно среди крупнообломочных пород—конгломератов. Но, как пра­ вило, среди такого рода пород угольные пласты встре­ чаются редко. В Кизеловском бассейне многие угольные пласты заключены среди песчаников. Встречаются угли

щественно в аргиллитах и сланцах континентального происхождения. С другими породами он связан реже.

В чем заключаются тектонические закономерности? Они определяются общей тектонической структурой Ура­ ла как горного сооружения. В то время, когда Урал был

очень мобильной, подвижной страной, когда были интен­ сивные колебательные движения, в прибрежно-морских условиях формировались такие угольные месторождения,

как Махневское, Егоршинское, Полтавское, Брединское, Домбаровское...- Угленакопление было прервано наступ­ лением (трансгрессией) моря. Затем огромная угленосная площадь претерпела складкообразование, которое сопро­ вождалось энергичной вулканической деятельностью.

Изверженные породы внедрились в угленосные отложе­

ния и частично «переработали» их. Затем наступило вре­

мя «складчатого и вулканического затишья», и породы восточного склона начали интенсивно разрушаться.

55