Химический состав углей Подмосковного бассейна

В основу качественной характеристики углей положены фактические данные многочисленных технических, элементарных и петрографических анализов проб по разведочным скважинам и горным выработкам, выполненных в течение многих лет химическими лабораториями треста «Мосбассуглегеология», Геологического управления центральных районов и ГТНИУИ. Для получения представительных среднестатистических цифр основных показателей качества углей использовано около 50 000 анализов.

Угли бассейна разнообразны по качеству и свойствам. Это связано прежде всего с петрографическим составом и с окислением угля. В пластах наряду с наиболее распространенными гумусовыми неокисленными углями часто встречаются прослои сапропелита, а отдельные прослои пласта или целые его участки иногда являются окисленными.

Исходя из петрографического состава углей и связанных с ними качественных показателей, среди углей бассейна можно выделить две группы — гумусовые и смешанные гумусово-сапропелевые, отличающиеся качественной пластовой характеристикой и, следовательно, качеством товарного угля. В группе гумусовых выделяются подгруппы гумусовых неокисленных и гумусовых окисленных. Гумусово-сапропелевые угли в меньшей степени подвержены окислению, однако и среди них встречаются окисленные.

Одним из главнейших показателей, характеризующих качество угля выделенных групп и подгрупп, является теплота сгорания. Теплота сгорания сапропелитов является наивысшей, окисленных углей — наиболее низкой. Поэтому оценка качества товарного угля только по показателю зольности, как это делается до сих пор при расчетах за поставляемое топливо, в ряде случаев будет недостаточной. Для определения промышленной ценности углей, используемых в качестве энергетического топлива, необходимо учитывать в первую очередь их рабочую теплоту сгорания (Qнр).

Гумусовые неокисленные угли. Содержание рабочей влаги в пласте и в товарном угле гумусовых неокисленных углей, составляющих основную часть запасов бассейна и разрабатываемых большинством шахт, колеблется обычно в пределах от 30 до 38%, составляя в среднем около 34%. В малозольных разностях этих углей влажность обычно выше, чем в высокозольных. Это связано с тем, что органическая масса обладает большей гигроскопичностью по сравнению с минеральной частью углей, представленной в большинстве своем глинистым материалом.

Зольность углей в естественном залегании (массиве) изменяется от 8 до 45% и выше, но в среднем равна около 30% на сухое вещество. Зольность товарного угля изменяется в пределах 20—45%. Средняя зольность товарного угля на 1—3% выше зольности угля в пласте за счет засорения угля при его добыче. Большая часть минерального вещества в угле представлена тонкодисперсными включениями, рассеянными в основной массе. Иногда эти минеральные частицы образуют скопления в виде серии мелких слоев и линзочек. Встречаются также довольно значительные по размерам включения колчедана.

Пачки углей, имеющие неодинаковую зольность, в том числе малозольные и высокозольные, представляют в пластах сложное чередование; мощность различных по качеству угольных пачек чаще составляет от 0,2 до 0,7 м. В распределении зольности углей наблюдаются некоторые общие закономерности; пласты более тонкие (до 1,5 м) обладают меньшей зольностью, чем мощные. Степень минерализации углей зависит, как указывалось выше, от фациальных условий формирования пластов и увеличивается от центральных частей угольных залежей к периферии.

Минеральная часть углей на 85—90% состоит из каолинита и частично гидроокислов алюминия, лишь 10—15% приходится на другие минералы (кварц, марказит, гипс, кальцит и слюды), при этом каолинит присутствует в основном как коллоидно-дисперсное образование.

Соответственно с этим основными компонентами золы подмосковных углей являются: SiO2 и Аl2O3. В сумме они обычно составляют в общей массе золы углей от 80 до 90%, редко снижаясь до 70% (Львово-Скопинский район). Для углей ряда месторождений соотношение SiO2 и Al2O3 в золе с большой точностью укладывается в простейшую формулу каолина — Al2O3*2SiO2*2Н2O.

Содержание железа в золе относительно невелико и связано в основном с присутствующим колчеданом. Содержание CaO и MgO в золе подмосковного угля в большинстве случаев увеличивается по мере уменьшения его зольности, что указывает на связь этих компонентов с первичной золой или органической массой угля. Содержание SO3 в золе угля зависит от содержания в ней CaO, MgO и общей серы.

Указанный выше состав золы подмосковного угля объясняет ее тугоплавкость. Величина t2 (начало плавления) и t3 (жидковязкое состояние) в полувосстановительной газовой среде в значительном большинстве случаев выше 1500°.

В зависимости от наличия в золе свободного SiO2 и несколько повышенного содержания Fe2O3, CaO и MgO, образующих легкоплавкие силикаты, величина t1 (начало деформации) может снижаться до 1100°, однако в основном она выше 1300°.

Сера в подмосковных углях содержится как в виде органических, так и минеральных соединений. Последние представлены главным образом колчеданом (пиритом и марказитом), встречающимся в виде отдельных крайне неравномерно распределенных включений различной величины. По данным анализов, содержание серы в углях колеблется от 2,0 до 10% — в среднем около 3,5% на сухое вещество; в том числе сульфатной 0,1—0,3% и колчеданной 2,3—2,4%.

Выход летучих веществ в гумусовых неокисленных углях в зависимости от их зольности, искажающей за счет продуктов разложения данные технического и элементарного анализов, изменяется от 38 до 50% и в среднем составляет 44—45% на горючую массу. При одинаковой зольности наименьший выход летучих дают фюзеновые разности (35—38%), наибольший (46—49%) — матовые и полуматовые, содержащие кутикулу и оболочки спор. Летучие высокозольных углей содержат много негорючих продуктов (кристаллизационная влага, углекислота), образующихся в результате распада минеральной части углей; алюмосиликатов, гидроокислов алюминия и железа, карбонатов и гипса, учитывающихся йри стандартных определениях как летучие.

Анализ материалов химических лабораторий и расчеты показывают; что летучие негорючие продукты составляют около 23% веса золы. Количество этих негорючих продуктов (V1) в углях с различной зольностью определяются зависимостью: V1 = 0,23 Ac, т. е. с повышением зольности на 10% выход летучих веществ увеличится на 2,3%. При Ac = 0 расчетный выход летучих веществ в гумусовых углях в среднем равен 39%. В общем виде выход летучих веществ углей может быть рассчитан по формуле:



Эту поправку необходимо вносить в стандартные анализы для определения летучих в беззольной органической массе.

При оценке качества подмосковных углей, используемых в основном для энергетических целей, решающее значение имеет их теплота сгорания. При всем разнообразии количественных соотношений микрокомпонентов теплота сгорания органической массы гумусовых углей довольно постоянна и изменяется незначительно. Это объясняется тем, что степень метаморфизма их одинакова, и элементарный состав этих углей изменяется незначительно и вызывается изменением количественных соотношений петрографических компонентов.

Наибольшая теплота сгорания органической массы гумусовых углей равна 7350—7370 ккал/кг и наблюдается у полуматовых фюзеновых и матовых зернистых разностей (липоидолиты и микстогумолиты). Наименьшей теплотой сгорания (7160 ккал/кг) обладают полублестящие клареновые и полуматовые полосчатые угли (гелитолиты).

Таким образом, качество подмосковного гумусового угля как энергетического топлива практически не зависит от петрографического состава. При равной зольности теплота сгорания различных петрографических типов отклоняется от среднего значения в пределах ±1—2%.

Более существенное влияние на изменение качества углей оказывает примесь сапропелитового материала с теплотой сгорания до 9100 и липоидов —до 8000 ккал/кг.

Теплота сгорания горючей массы (условной) гумусового угля зависит от зольности. Это связано с тем, что при стандартных анализах высокозольных углей продукты разложения золы учитываются как горючая масса, вследствие чего теплота сгорания последней получается заниженной сравнительно с истинной. Поправка на это, по В.С. Огаркову, может быть вычислена по формуле:



где Qорг.г — теплота сгорания летучей органической массы угля 2460 ккал/кг;

k — удельная теплота сгорания беззольного кокса — 80 ккал/кг;

Vорг.г — выход летучих на горючую массу угля — 39%

Эта формула очень близка к эмпирической формуле Т.А. Зикеева и А.И. Корелина, рекомендованной ими для определения Qбг в неокисленных углях Подмосковного бассейна:



Сравнительная характеристика изменения теплоты сгорания углей в зависимости от их зольности по фактическим и расчетным данным приведена в табл. 18.

Расхождения теплоты сгорания, вычисленной по среднестатистическим и расчетным данным по формуле для углей с зольностью до 30% включительно, не превышают 100 ккал, или менее ±1,0%. Для высокозольных углей (Ас>40%) разница резко возрастает.

В табл. 19 приведены типичные (усредненные) результаты технического, элементарного и органического анализов гумусовых неокисленных углей, продукты полукоксования в пересчете на горючую массу, а также химический состав золы.

Гумусовые окисленные угли выделены в самостоятельную подгруппу на том основании, что они имеют довольно широкое распространение и резко отличаются по важнейшим качественным признакам.

Проведение технических анализов и петрографических определений, наблюдения в горных выработках и по разведочным скважинам показывают, что наиболее интенсивно процессам окисления подвергаются гумусовые угли. Сапропелиты, в частности богхеды, в окисленном виде встречаются крайне редко.

Одним из характерных признаков окисленных углей является резкое снижение теплоты сгорания (Qнр) до 1800—2000 ккал/кг. Это главный фактор, резко снижающий их товарную ценность. На снижение теплоты сгорания существенное влияние оказывает увеличение содержания кислорода и уменьшение углерода и водорода при одновременном увеличении рабочей влажности.

Первые признаки окисленных углей прежде всего сказываются на физических свойствах и выражаются в потере блеска, появлении интенсивной трещиноватости и, наконец, разрушенности угля до бесструктурной массы. В них наблюдается также заметное увеличение сульфатной серы.

Для окисленных углей характерно очень высокое содержание гуминовых кислот (45—50%), в то время как в неокисленных разновидностях их содержание в среднем не превышает 15—20%. В табл. 19 приводятся показатели, характеризующие качество окисленных гумусовых углей.

В разрезе угольных пластов окисленные пачки залегают и в нижней, и в средней, и верхней частях пластов, но, судя по данным опробования, преимущественно распространены в верхних слоях пластов.

Процессы окисления углей наиболее интенсивно развиваются в зонах размывов угленосной толщи, приуроченных большей частью к краевым частям залежей и в меньшей мере находящихся внутри их, а также к зонам нарушений пласта на участках распространения карстов. Все это указывает на взаимосвязь процессов окисления с усиленной инфильтрацией подземных вод.

Наряду с сильно окисленными углями в Подмосковном бассейне встречаются угли частично окисленные, характеризующиеся промежуточными между неокисленными и окисленными гумусовыми углями качественными показателями.

Гумусово-сапропелевые угли. Угли данной группы имеют довольно значительное распространение на отдельных месторождениях бассейна и стратиграфически большей частью приурочены к третьему углисто-глинистому комплексу (пласт IV), наиболее развитому в Львово-Скопинском, Кораблинском, Алексинском и других угленосных районах. Гумусово-сапрепелевые угли распространены также в I пласте Львово-Скопинского и частично во II пласте Центрального промышленного районов. Среди сапропелитов и гумито-сапропелитов обычно различают четыре разновидности: богхед, кеннель-богхед, полубогхед и кеннель, причем по составу, свойствам и качеству четко определяются первые три, являющиеся собственно сапропелитами. Кеннель по своим свойствам занимает промежуточное положение между сапропелитами и гумусовыми углями.

Богхеды отличаются высоким выходом летучих веществ — до 86% и первичных смол — до 67%; высокой теплотой сгорания, которая достигает 9160 ккал/кг на горючую массу. При этом теплота сгорания увеличивается пропорционально выходу летучих веществ, так как здесь оба эти показателя в основном связаны с содержанием водорода.

По сравнению со всеми другими типами углей Подмосковного бассейна в богхедах наблюдается пониженное содержание влаги. В отличие от гумусовых углей сапропелиты с зольностью свыше 12—16% почти не встречаются, что определяется условиями накопления материнского вещества угля. Содержание серы 3,0—3,5%. По сравнению с гумусовыми углями в элементарном составе богхедов значительно больше углерода и водорода: Cг 75—79%; Hг 8—10%; они дают до 60% первичной смолы. Характеристика типичных богхедов по основным показателям приводится в табл. 19.

Слои сапропелитов чаще всего залегают в нижней части угольных пластов; мощность отдельных слоев составляет от 0,05 до 1,0 м, иногда больше. Обособленных залежей богхеды, полубогхеды и кеннели не образуют, поэтому их самостоятельное значение в промышленности незначительно. Они никогда не выделяются отдельно ни при добыче, ни из товарного угля (были отдельные частные случаи селективного их извлечения в военные годы). Важную роль богхеды играют в смешанных гумусово-сапропелевых углях, где даже небольшие примеси их (около 20%) существенным образам влияют на качественные показатели.

В процессе эксплуатации, а также при разведке, естественно, происходит смешивание различных типов углей. Свойства и качество смешанных углей зависят от количественных соотношений гумусовой разновидности, сапропелита и окисленных углей. Теплота сгорания сапропелита всегда значительно выше, чем у гумусового угля. В результате смешения этих компонентов получается уголь со средним значением теплоты сгорания.

По сравнению с гумусовыми разновидностями в смешанных гумусово-сапропелевых углях значительно возрастают показатели по выходу первичных смол и теплоте сгорания. При этом отмечается заметное увеличение теплоты сгорания по мере роста выхода летучих. Всякая добавка богхеда к гумусовому углю влияет на снижение его зольности: чем больше в смеси богхеда, тем ниже его зольность.

Как указывалось в предыдущих главах, в Подмосковном бассейне развито четыре основных рабочих пласта (I, II, III и IV), разрабатываемых шахтами. На отдельных участках месторождений рабочую мощность имеют пласты Iв , IIн и IVн, сопутствующие основным пластам бобриковского горизонта, а также один-два нижних пласта угля тульского горизонта. В качественном отношении угли указанных пластов несколько отличаются по своим показателям, что преимущественно связано со степенью гумификации и наличием сапропелевых углей. Последнее особенно характерно для I пласта восточной части Львово-Скопинского угленосного района, IV пласта Кораблинскога, Алексинского и других угленосных районов, а также для угольных пластов тульского горизонта. В табл. 20 приведены качественные показатели углей основных и сопутствующих им рабочих пластов раздельно по угленосным районам. Эти данные наглядно показывают индивидуальные особенности качества углей рабочих пластов бассейна и общий характер количественного изменения основных показателей технических анализов.

Согласно В.С. Огаркову, устанавливается зависимость между содержанием золы, выходом летучих и теплотворной способностью на горючую массу углей, приведенная в табл. 21.

Угли юрского возраста, имеющие локализованный характер распространения в бассейне, изучены очень слабо. Внешне они больше всего напоминают лигниты землисто-комковатого сложения, сохранившие признаки структуры растительных остатков. По данным опробования отдельных скважин на Грызловском, Иваньковском, Трояновском и других месторождениях, их качество может быть охарактеризовано следующими показателями: Aс 28—43%; Wа 7—18%; Sобс 1,0— 3,5%; Vа 33—51%; Qбг 3790—5690 ккал/кг. В промышленности эти угли не используются.