4. Происхождение углей. Формы залегания угольного пласта

   Своим происхождением уголь обязан древним торфяным болотам, в которых, начиная с девонского периода, накапливалось органическое вещество – растения. Из которого, без доступа кислорода формировались ископаемые угли.

   Далее, в течение многих миллионов лет, под действием температуры и давления происходило превращение торфа в уголь. Углефикация сопровождается увеличением концентрации углерода и уменьшением содержания кислорода, азота и водорода. Можно сказать, что нынешние залежи торфа – это есть будущие угольные пласты.

   В России, в зависимости от стадии метаморфизма различают: бурые угли, каменные угли, антрациты и графиты. Интересно, что в западных странах  имеет место несколько иная классификация: соответственно, лигниты, суббитуминозные  угли, битуминозные угли, антрациты и графиты.

   Возраст самых древних углей оценивается  примерно в 350 миллионов лет. Углеобразование  Кузнецкого и Печорского бассейнов  происходило 280-235 миллионов лет назад.

   В результате движения земной коры, угольные пласты испытывали поднятие и складкообразование. С течением времени приподнятые части разрушались за счет эрозии, а опущенные сохранялись в широких неглубоких бассейнах, где уголь находится на уровне не менее 900 метров от земной поверхности. Самые глубокие шахты на территории Российской Федерации добывают уголь с уровня чуть более 1200 метров (самая глубокая шахта в мире принадлежит корпорации «Де Бирс», Южная Африка, добывающей кимберлит, глубина которой достигает 4,6 километра¹¹).

   Стадии  метаморфизма угля определяются на основе химического анализа, показывающего такие его характеристики, как содержание золы, влаги, выход летучих веществ, теплоту сгорания и т.д. В зависимости от географического положения, необходимых объемов и целей, для которых закупается уголь, каждому потребителя целесообразно закупать конкретные марки углей, конкретных угольных бассейна наиболее удовлетворяющих его нуждам.

   Во  время образования углей, в них  попадают различные элементы, большая  часть из которых остается в золе. При сгорании угля, некоторые летучие  элементы выделяются в атмосферу, причем сера образует загрязняющее атмосферу вещество, оксид серы. Зола – это вещества, которые не сгорают при сжигании угля и тем самым, увеличивают стоимость перевозки, а, кроме того, попадают в атмосферу и загрязняют ее. В зависимости от условий залегания угольных месторождений, разработка ведется, как правило, открытым или подземным способом. Разработка ведется обычно, открытым способом, если глубина залегания угольно пласта не превышает 100 метров.

   Угольный пласт – форма залегания ископаемых углей, в виде плито- и линзообразных тел с небольшой в сравнении с площадью распространения мощностью. В угленосных формациях, образовавшихся в крупных прогибах пригеосинклинальных и складчатых областей, мощность угольных пластов колеблется от десятков сантиметров до нескольких метров; при этом по многим из пластов мощность выдерживается на площадях в десятки и сотни км². Внутри платформенных месторождений (Подмосковный, Днепровский, Южно-Уральский бассейны и др.) более свойственна линзовидная форма угольных пластов (рис. 4.1) с меньшими (единицы - десятки км²) площадями распространения и большей степенью изменчивости морфологии и мощностей, которая в залежах некоторых месторождений достигает десятков и несколько сотен метров. Угольные пласты могут быть простого (без прослоев различных горных пород), строения, представлены однородными или полосчатыми углями.

   Рис. 4.1. Линзовидная форма пласта

   В большей части они имеют сложное строение с различным числом прослоев горных пород. Значительно распространены угольные пласты (залежи) очень сложного строения, представленные многократным чередованием в их разрезе слоев угля и горных пород. Контакты угля с вмещающими угольные пласты породами могут быть резкими с отчетливо выраженным ритмическим переслаиванием, от более мелкозернистых, граничащих с углем разностей, к крупнозернистым. Так же часты постепенные переходы угля в подошве (почве) или кровле пласта к вмещающим его породам через промежуточные переслаивающиеся слои углистых пород и высокозольных глинистых углей.

Рис. 4.2. Осложнения морфологии

   Особенности углеобразования обусловили значительную неоднородность морфологии, мощностей и внутреннего строения угольных пластов. Изменчивость мощностей на площади распространения одного и того же угольного пласта часто является следствием: неровностей дна торфяника с выпадением из разреза угольных пластов нижних слоев на приподнятых участках палеорельефа (рис. 4.2, а); эветатических и сезонных колебаний уровня грунтовых вод, приводящих к перерывам в торфонакоплении и образованию в торфянике линз песчаника и других прослоев горных пород (рис. 4.2, б); разрушения и смыва торфа водными потоками, паводковыми водами, морской (бассейновой) трансгрессией (рис. 4.2, в); (рис. 4.2, г); выпахивающего действия надвигающихся ледников и т. п¹².

   5. Поиск и разведка угольных месторождений

   При поисках и разведке угольных месторождений применяются: геологическое картирование, комплекс наземных геофизических исследований, горноразведочные выработки и колонковое бурение скважин, сопровождаемое каротажными исследованиями.

   Составляемые геологические карты сопровождаются комплексом специализированных карт – геоморфологических, гидрогеологических, рельефа поверхности угленосных образований, подстилающих их пород и т. п.

   Для получения информации о приповерхностном и глубинном строении района поисковых работ и разведываемых месторождений исключительную ценность имеют предшествующие или проводимые одновременно с поисковыми и разведочными работами наземные геофизические методы исследований.

   При поисках и разведках на уголь используются: электроразведочные (вертикальное электрозондирование и электропрофилирование), гравиразве-дочные, сейсморазведочные, магниторазведочные методы и эманационная съемка. Разрешающая способность этих методов различна в зависимости от геолого-геофизических условий района работ.

   Основой электроразведки является дифференциация горных пород по электрическим свойствам (электрическому сопротивлению, диэлектрической проницаемости и др.). Вертикальное электрозондирование (ВЭЗ) наиболее эффективно для установления мощностей покровных отложений и многолетней мерзлоты, глубины залегания последней и картирования рельефа подстилающих образований при пологом (до 15°) залегании и широком площадном распространении угленосных отложений, а также наличии существенных различий в электрических свойствах угленосных и вмещающих их пород; для выявления и уточнения структурных особенностей залегания угленосной толщи необходима также четко выраженная дифференциация складчатых форм. Прослеживание выходов угольных пластов и маркирующих горизонтов под покровные отложения электропрофилированием наиболее успешно при наклонном и крутом залегании угленосной толщи при мощности наносов не более 15—20 м.

   Гравиразведка, используемая для тех же целей, что и электроразведочные методы, эффективна при наличии существенного и достаточно постоянного различия в плотности соответствующих пород. Гравиметрическими методами прослеживаются выходы только мощных угольных пластов при мощности покровных отложений до 35 м¹³.

   Возможности использования сейсмических методов (отраженных и преломленных волн) для расчленения разреза пород, выявления и прослеживания структурных форм и разрывных нарушений определяются наличием в изучаемом образовании отражающих или преломляющих сейсмических границ, относительным постоянством скоростей распространения упругих колебаний в отложениях, перекрывающих прослеживаемые границы и отсутствием в районе работ интенсивных сейсмических помех.

   Магниторазведка используется при наличии пород, обладающих магнитными свойствами, в частности для выявления и оконтуривания тел изверженных пород, «горельников» и др.

   Эманационная съемка используется для выявления и прослеживания (в плане) разрывных нарушений, по которым может происходить выделение эманации (радона, торона, актинона); измерения концентраций эманации производятся в подпочвенном и почвенном воздухе.

   При всех видах наземных геофизических исследований должно обеспечиваться получение на поверхности земли аномалий соответствующих свойств, которые могут быть измерены существующей аппаратурой. Как правило, перечисленные выше методы геофизических исследований проводятся комплексно с использованием методов, обладающих наибольшей разрешающей способностью для решения поставленных задач в геолого-геофизических условиях конкретного района работ.

   Горно-разведочные выработки при разведке угольных месторождений используются ограниченно. Проходка их связана с большими затратами средств и времени, гидрогеологические особенности часто создают трудные, а иногда непреодолимые условия для их применения. Поэтому при благоприятных предпосылках горноразведочные выработки используются в основном для прослеживания угольных пластов на выходах под покровные отложения, для определения границ зон выветривания и окисления угля и для отбора крупных технологических проб.

   6. Общие сведения о Кузнецком угольном бассейне

   Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс) является одним из самых крупных угольных месторождений мира, расположен на юге Западной Сибири, в основном на территории Кемеровской области, в неглубокой котловине между горными массивами Кузнецкого Алатау, Горной Шории и невысоким Салаирским кряжем. В настоящее время наименование «Кузбасс» является вторым названием Кемеровской области.

   В 1721 году крепостной рудознатец Михайло  Волков открыл в районе современного г. Кемерово месторождение угля. В 1842 году геолог П. А. Чихачев оценил запасы угля Кузнецкой котловины и ввел термин «Кузнецкий угольный бассейн».

   Рис. 6.1. Кузнецкий бассейн: угольные районы.

   Бассейн характеризуется континентальным климатом с частыми и резкими колебаниями температуры воздуха, количества осадков и интенсивности солнечной радиации. Гидрографическая сеть принадлежит системе реки Оби. С юга на север угольный бассейн пересекается транзитной рекой Томь, которая служит основным источником питьевого и основного технического водоснабжения угледобывающих предприятий. Для территории современного Кузбасса характерны почти повсеместные антропогенные трансформации природных ландшафтов и недр – от сравнительно небольших изменений, вызванных в основном лесохозяйственной деятельностью в восточной части, до почти полного преобразования при добыче угля и урбанизации в западной части бассейна. Наиболее измененные территории сосредоточены в районах открытой и интенсивной подземной угледобычи: к северу от города Кемерово, в Прокопьевско-Киселевском районе и в окрестностях города Междуреченска¹⁴.

   Угленосная  толща Кузнецкого угольного бассейна содержит около 260 угольных пластов различной мощности, неравномерно распределенных по разрезу: в кольчугинской и балахонской свитах – 237, в тарбаганской свите – 19 и барзасской свите – 3 (суммарная максимальная мощность 370м). Преобладающая мощность пластов угля от 1,3 до 4,0м. Имеются угольные пласты в 9-15 и даже в 20м, а в местах раздувов до 30м.

   Максимальная  глубина угольных шахт не превышает 500м (средняя глубина около 200м). Средняя  мощность разрабатываемых угольных пластов 2,1м, но до 25% шахтной добычи угля приходится на пласты свыше 6,5м.

   По  петрографическому составу угли в балахонской и кольчугинской сериях в основном гумусовые, каменные (с содержанием витринита соответственно 30-60% и 60-90%), в тарбаганской серии – угли переходные от бурых к каменным. По качеству угли разнообразны и относятся к числу лучших углей. В глубоких горизонтах угли содержат: золы 4-16%, влаги 5-15%, фосфора до 0,12%, летучих веществ 4-42%, серы 0,4-0,6%; обладают теплотой сгорания 7000-8600 ккал/кг (29,1-36,01 МДж/кг)¹⁵; угли, залегающие вблизи поверхности, характеризуются более высоким содержанием влаги, золы и пониженным содержанием серы. Метаморфизм каменных углей понижается от нижних стратиграфических горизонтов к верхним. Угли используются в коксовой и химической промышленности и как энергетическое топливо.