Геология горючих полезных ископаемых

1. Общее представление о происхождение горючих полезных ископаемых (ПИ)
2. Генетическая классификация горючих ПИ
3. Химический состав углей.
4. Петрографический состав углей
5. Физические свойства углей и методы их определения.
6. Технологическое изучение углей
7. Горючие сланцы.
8. Химический состав нефти
9. Газы угольных месторождений
10. Метаморфизм углей и пород
11. Основные месторождения коксующихся углей России. Понятие коксующиеся ...

1. Общее представление о происхождение горючих полезных ископаемых (ПИ)
2. Генетическая классификация горючих ПИ
3. Химический состав углей.
4. Петрографический состав углей
5. Физические свойства углей и методы их определения.
6. Технологическое изучение углей
7. Горючие сланцы.
8. Химический состав нефти
9. Газы угольных месторождений
10. Метаморфизм углей и пород
11. Основные месторождения коксующихся углей России. Понятие коксующиеся

1. Общее представление о происхождение горючих полезных ископаемых (ПИ)
2. Генетическая классификация горючих ПИ
3. Химический состав углей.
4. Петрографический состав углей
5. Физические свойства углей и методы их определения.
6. Технологическое изучение углей
7. Горючие сланцы.
8. Химический состав нефти
9. Газы угольных месторождений
10. Метаморфизм углей и пород
11. Основные месторождения коксующихся углей России. Понятие коксующиеся

4. Петрографический состав углей
Микрокомпоненты, составляющие органическую часть углей, не имеют кристаллической решетки и постоянного химического состава, поэтому их нельзя рассматривать как минералы. В прошлом веке с помощью специального химического растворения сумели выделить из углей стойкие микрокомпоненты и назвали их мацералами. Среди них обнаружены структурные мацералы углей, форменные элементы (стойкие части растений) и минеральные примеси. При микроскопическом изучении шлифов и аншлифов установили, что в угле мацералы включаются в основную массу и цементируются ею. Основная масса представляет собой смесь бесструктурного гумусового геля, растительного шлама и тонкодисперсного минерального вещества. В настоящее время понятие «мацерал» видоизменилось. Теперь к мацералам относят все микрокомпоненты углей, включая и бесструктурные микрокомпоненты из основной массы. Мацералы изучаются под микроскопом в отраженном свете с масляной иммерсией в специально изготовленных шашках из эпоксидной смолы с запрессованным в них тонкораздробленным углем, а также в аншлифах. Кроме того, мацералы изучаются в шлифах и тонких срезах под микроскопом в проходящем свете.
Мацералы образуются в стадию диагенеза из единого исходного материала и сочетаются в виде определенных парагенезисов органических и неорганических микрокомпонентов, а затем эти парагенезисы фиксируются в дальнейших стадиях метаморфизма углей. Мацералы отличаются между собой по показателю отражения (блеску), цвету, микрорельефу, морфологии, структуре и степени ее сохранности, а также по размерам частиц. Характеристика свойств мацералов несет информацию о нахождении их в основной массе угля или в виде включений в ней. При количественном петрографическом анализе углей органические мацералы по процессу образования и по близким химико-технологическим свойствам объединены в три группы: гелефицированные, фюзенизированные и липоидные .
Мацералы углей существенно различаются по химическому составу и технологическим свойствам. Их содержание в ингредиентах и литотипах влияет на качество углей. Так, мацералам группы витринита свойственно повышенное содержание кислорода, инертинита – углерода, липтинита – водорода. На равных стадиях метаморфизма наибольшим выходом летучих веществ обладают мацералы группы липтинита, меньшим – витринита, самым низким – инертинита. Эти различия уменьшаются с повышением ступени метаморфизма. Весьма отличается у микрокомпонентов способность к плавлению и спеканию то есть к коксованию. При достижении температуры стадии метагенеза мацералы групп витринита и липтинита плавятся, группы семивитринита – размягчаются без перехода в пластическое состояние, а мацералы группы инертинита не обладают этими свойствами. Повышенное содержание в угле фюзинизированных компонентов снижает его спекаемость. Неспекающиеся компоненты называются отмщающими, и для них рассчитывается генетический показатель – сумма отмщающих компонентов Σок = I + 2/3 Sv.
Ингредиенты – это макрокомпоненты углей различимые визуально невооруженным глазом. Они бывают простые и сложные. Простые ингредиенты представлены группами мацералов, образованных из единого растительного обрывка (фрагмента). Это структурные мацералы группы витринита (телинит) и группы инертинита (фюзинит). Такие фрагменты достигают довольно больших размеров от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров, и становятся различимы невооруженным глазом. В качестве ингредиентов они называются витрен и фюзен. Простые ингредиенты всегда встречаются в виде прослоев и линз и никогда не образуют пласты угля по массе. Текстурно-структурные особенности углей оказывают воздействие на выраженность отдельных групп трещин, что влечет за собой легкость разрушения углей при добыче, технологической переработке и использовании. Угли с однородной структурой и массивной текстурой, образующие литотип из одного сложного ингредиента, более прочные и труднее раскалываются по плоскостям наслоения. Угли с полосчатой структурой и слоистой текстурой характеризуются наличием прослоев витрена и фюзена. Прослои витрена, имеющего повышенную хрупкость и трещиноватость по сравнению с другими ингредиентами, являются плоскостями ослабления и, независимо от их мощности, обуславливают раскалывание угля по наслоению. Фюзен характеризуется волокнистыми, землистыми агрегатами, но трещины по нему проходят только тогда, когда мощность его прослоев значительна, мелкие же линзы не создают ослабленных участков, и скалывания по ним не происходит.
5. Физические свойства углей и методы их определения.
Физические свойства ископаемых углей зависят от степени их метаморфизма, влажности (W) и минерального состава. По степени метаморфизма различают: бурые угли (содержание углерода 60-70%, влажность до 40%), каменные угли (углерода 80-95%,влажность до 5%) и антрациты (углерода более 95%, W≈0). Эти разновидности углей, кроме того, подразделяются на группы (технологические марки), имеющие разное промышленное значение. Важной качественной характеристикой углей является зольность. Зольность определяется процентным содержанием в угле негорючих компонентов, представленных глиноземом, кремнеземом и окислами железа. Эти компоненты попадают в уголь в процессе образования его залежей и являются примесью вмещающих пород. При зольности от 50% и выше порода называется горючим сланцем.
Рабочая мощность угольных пластов в различных географо-экономических районах – от 0,45 до 1 м. По сравнению с вмещающими породами каменные и бурые угли характеризуются повышенным УЭС. УЭС углей возрастает с увеличением степени метаморфизма от 10-200 Ом*м у бурых до 50-1000 Ом*м -у тощих каменных. При переходе к антрацитам УЭС резко падает - до 5,0-0,01 Ом*м. С увеличением зольности сопротивление бурых и каменных углей уменьшается, антрацитов – увеличивается.
Угли способны окисляться и, следовательно, создавать аномалии естественного электрического поля. Аномалии ПС над антрацитами достигают 400-600 мВ, над каменными углями - 100 мВ, над бурыми – ±50 мВ. Над бурыми углями аномалии ПС возникают не только под действием окислительно-восстановительных, но и в результате диффузионно-адсорбционных и фильтрационных процессов.
Угли также обладают способностью поляризоваться и создавать аномалии вызванной поляризации (ВП). Естественная радиоактивность углей, как правило, ниже, чем вмещающих песчано-глинистых пород. Плотность углей (1,15-1,75 г/см3) значительно меньше, чем у вмещающих пород (на 0,5-1,0 г/см3). Плотность углей растет с увеличением степени метаморфизма. Растет она и с увеличением зольности. Тем не менее, плотность - это то физическое свойство, по которому все типы углей всегда однозначно отличаются от вмещающих пород. Кроме того, угли обладают сравнительно низким эффективным атомным номером (у чистого углерода z=6), у вмещающих пород zэф ≈13-15, т.е. значительно выше. Даже небольшая примесь золы заметно увеличивает zэф угля. Скорость распространения упругих волн в углях меньше, чем во вмещающих породах. На кавернограммах угли отмечаются как зоны увеличенного диаметра из-за их разрушения при бурении.
6. Технологическое изучение углей
Изучение технологических свойств углей при разведке производится, как правило, в лабораторных, укрупненно-лабораторных и полупромышленных условиях, с учетом опыта их разработки и промышленного использования. Аналогия качества углей разведываемых и разрабатываемых месторождений (участков) должна быть подтверждена сопоставлением петрографического и химического состава, а также результатами лабораторно-технологических исследований. Изучение месторождений битумонозных углей производится по специальным программам. Для неосвоенных промышленностью типов и для новых процессов промышленного использования углей технологические исследования проводятся по программам, согласованным с потребителем и организацией, производящей эти исследования. Технологические пробы должны быть представительными – отвечать по составу, физическим и другим свойствам средним показателям качества угля оцениваемого пласта или групп однородных по свойствам пластов. При отборе технологических проб необходимо учитывать изменчивость качества углей по простиранию и на глубину, с тем, чтобы обеспечить полноту характеристики их технологических свойств на всей площади распространения с учетом такой изменчивости. Для оценки технологических свойств углей глубоких горизонтов месторождений, недоступных для отбора представительных по массе проб, следует использовать выявленные закономерности в изменении качества, привлекать данные технологического изучения проб малой массы и петрографические методы определения обогатимости и коксуемости углей (ГОСТ 10100–84, 18384–73, 9521–74). В результате исследований технологические свойства углей должны быть изучены с детальностью, обеспечивающей получение исходных данных, достаточных для установления возможных направлений промышленного использования и соответственно проектирования технологической схемы их переработки с комплексным извлечением попутных компонентов, имеющих промышленное значение. Для попутных компонентов (радиоактивные элементы, германий, галлий, молибден, свинец и др.), имеющих промышленное значение, выясняются их формы нахождения и баланс распределения в пластах углей и продуктах обогащения. Следует также изучить возможность промышленного использования зол и отходов обогащения углей как сырья для получения строительных материалов, керамических и огнеупорных изделий и других целей.
7. Горючие сланцы.
Горючий сланец – неглубоко залегающая осадочная (глинистая, известковистая, реже кремнистая) порода, содержащая равномерно распределенное слабопреобразованное сапропелевое ОВ (условно от 10 до 70 % углерода, в большинстве случаев от 15 до 35%. Если содержание ОВ более 70%, порода относится к сапропелевым углям). Органическое вещество горючих сланцев состоит из битумоидов и нерастворимой в органических растворителях части, называемой керогеном. При нагревании горючих сланцев без доступа воздуха до 500°С (или с доступом воздуха до 1000°С) кероген разлагается с выделением нефтеподобной смолы (сланцевого масла), сухих горючих газов и воды. Выход смолы от массы сухой породы составляет для бедных ОВ сланцев от 5 до 10%, а для богатых ОВ – до 30-50%.
8. Химический состав нефти
Природная нефть – жидкость темно-коричневого или черного цвета. При температуре 15 – 20°С большинство нефтей – подвижные жидкости. С генетической точки зрения нефть – обособившиеся в самостоятельные скопления подвижные жидкие продукты преобразования РОВ в зоне катагенеза. В химическом отношении нефть – сложная смесь углеводородных и смолисто-асфальтеновых (преимущественно сера-, кислород-, и азотсодержащих) соединений. Основными компонентами нефтей являются парафиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды. В процессе перегонки нефть разделяют на следующие фракции, °C: бензин н. к.—190, керосин 190—260, дизельное топливо 260—360, тяжелый газойль и смазочные масла 360—530, остаток > 530. Температуры кипения фракций могут меняться в зависимости от технологической схемы перегонки. Нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть — жидкие углеводороды (> 500 веществ или обычно 80—90 % по массе) и гетероатомные органические соединения (4—5 %), преимущественно сернистые (около 250 веществ), азотистые (> 30 веществ) и кислородные (около 85 веществ), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые); остальные компоненты — растворённые углеводородные газы (C1-C4, от десятых долей до 4 %), вода (от следов до 10 %), минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1—4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и др., механические примеси
9. Газы угольных месторождений
Основным компонентом природных газов угольных пластов, не затронутых процессами газового выветривания (деметанизацией), является метан. Его концентрация в смеси природных газов угольных пластов составляет 80–98%. Для добычи метана пригодны далеко не все угли. Так, месторождения длиннопламенных бурых углей бедны метаном. Уголь-антрацит отличается высокой концентрацией газа, но его невозможно извлечь из-за высокой плотности и чрезвычайно низкой проницаемости залежи. Угли, занимающие промежуточное положение между бурыми углями и антрацитом, относятся к самым перспективным для добычи метана. Именно такой уголь залегает в Кузбассе. Существуют два принципиально разных способа добычи угольного метана: шахтный (на полях действующих шахт) и скважинный. Шахтный способ является неотъемлемой частью технологии подземной добычи угля для снижения масштабов выделения метана и предотвращения его взрывов. Он обеспечивает получение метана в небольших количествах, в основном, для собственных нужд угледобывающих предприятий. Использование газа извлеченного таким способом затруднено из-за значительных колебаний объемов поступающей газовоздушной смеси и концентрации в ней метана.
Разработка метаноугольных месторождений с добычей метана в промышленных масштабах производится с применением специальных технологий интенсификации газоотдачи пластов.
10. Метаморфизм углей и пород
Процессы перестройки структуры угольного вещества и метаморфизма протекают под действием таких факторов, как температура и давление. Фактор времени оказывает значительное влияние на ход метаморфизма: с повышением температуры реагирующих сред всего на 10 0С течение реакции ускоряется в несколько раз. Следовательно, процессы геохимических превращений, влекущие за собой перестройку молекулярных и надмолекулярных структур (рост углеродных сеток, уменьшение алифатической части угольного вещества, конформация молекул и т.д.), в первую очередь зависят от температурных воздействий. В то же время бесспорна зависимость степени метаморфизма от давления перекрывающих угольный пласт и тангенциальных напряжений в процессе тектогенеза. Следовательно, фактор давления также способствует процессам перестройки угольного вещества. Уголь одного и того же пласта, возраст которого индексируется как одновременный, имеет разную степень метаморфизма и различную НМО. Следовательно, время само по себе не может реализоваться в процессах и продуктах метаморфизма.
В ископаемых углях первоначальным элементом сборки НМО является пакет углеродных пачек. Пакет в процессе метаморфизма укрупняется за счет роста углеродных ядер и сеток, а также увеличения их количества. С ростом метаморфизма НМО углей совершенствуется.
На низкой стадии метаморфизма доминирующими метаморфическими факторами являются температура и время. Количество водорода не изменяется, поэтому в углях марки Д–Г алифатические цепи удлиненные, отмечается лишь некоторая потеря кислорода. Ароматические углеродные ядра весьма малы, а наличие в полимерной цепи атомов S, O, N или групп -СО- , -О2- и других увеличивает ее гибкость, тем самым предполагая всю полимерную угольную кристаллоподобную организацию к конформациионным переходам. Складываются необходимые условия для дальнейшего совершенствования НМО — термодинамически выгодных поворотов отдельных углеродных ядер с последующей их ассоциацией в сетки и пачки и конформацией кристалоподобных слоев. Процесс структурирования НМО неизбежно сопровождается эффектом сокращения внешней поверхности.