Учебное пособие для учащихся 8-9 классов всех типов школ Кемеровской области Кемерово 2005 Л. И. Соловьев

2. Расскажите об образовании каменного и бурого угля.

3. Какие виды полезных ископаемых добывают в вашей местности? Как они используются в хозяйстве?
На всех этапах развития человеческого общества и общественного производства географическая среда, земля с ее природными ресурсами, всегда была одним из постоянных, вечных и необходимых условий деятельности человека. Ведущее место среди естественных богатств принадлежит минеральному сырью: рудным и нерудным полезным ископаемым, топливным, водным, вторичным сырьевым и другим ресурсам.

И хотя местное население нашего края еще в глубокой древности использовало отдельные элементы минерально-сырьевой базы, оно практически не знало всей полноты природных богатств, которые таила в себе земля Кузнецкая. Это неудивительно: по словам томского губернатора Андриевича, Сибирь – это край, "непригодный для жизни и ценный для государства лишь в смысле ссылки".

Честь открытия месторождений полезных ископаемых в нашем крае принадлежит местному населению, русским рудознатцам, ученым и путешественникам. Повторите § 2. Об этом свидетельствуют материальные археологические памятники, обнаруженные на территории родного края. Присоединение Кузнецкой земли к России благоприятствовало глубокому изучению ее геологического строения, рельефа и открытию полезных ископаемых. Эти работы заметно оживились по всей России в начале XVIII века, в эпоху Петра Великого.

В изучение природных ресурсов нашего края и их освоение заметный вклад внесли русские ученые и практики - И. Г. Гмелин, С. П. Крашенинников, П. С. Паллас, П. А. Чихачев, Г. Е. Щуровский, В. Ф. Зуев, В. С. Чулков, П. В. Залесов, Г. П. Гельмерсен и другие. В конце XIX - начале XX веков интерес к Кузнецкому каменноугольному бассейну повысился. В 1912 году было создано акционерное общество Кузнецких каменноугольных копей - Копикуз. В это время для более глубокого изучения месторождений бассейна приглашается известный русский геолог Леонид Иванович Лутугин.

В первые годы после Великой Октябрьской Социалистической революции продолжаются экспедиции для дальнейшего изучения запасов угля в нашем крае. В состав экспедиций вошли В. И. Яворский, А. А. Гапеев, П. И. Бутов и другие.

Важнейшим документом того времени, в котором впервые широко и комплексно была поставлена задача по освоению природных богатств восточных районов страны, в том числе Кузбасса, был план Государственной электрификации России (ГОЭЛРО). В этом документе указывалось: "Горные богатства Западной Сибири огромны и разнообразны и до сих пор не вполне исследованы, а потому не представляется возможным, хотя бы приблизительно, исчислить все запасы полезных ископаемых. Но и те данные, которые имеются, говорят нам о широких перспективах будущего развития дел в крае... Надлежащее развитие каменноугольная промышленность получит с развитием тяжелой индустрии по производству черных металлов - чугуна, стали и железа..."

Кузнецкая земля обладает огромными и разнообразными минерально-сырьевыми ресурсами. Однако главным богатством родного края является каменный уголь.

На территории области детально разведано и учтено государственным балансом по состоянию на 2003 год 462 месторождения различных твердых полезных ископаемых. Среди них имеются месторождения и проявления полезных ископаемых, дефицитных для России и конкурентоспособных на мировом рынке минерального сырья: уран, хром, титан, марганец, бентонитовые глины и другие. За пределы нашей области вывозятся уголь, алюминиевое сырье (уртиты), для дальнейшей переработки - свинцово-цинковые концентраты, золото. На предприятия Кузбасса завозится более 50 видов минерального сырья, хотя почти все потребляемое в области сырье имеется в ее недрах.

Вместе с тем добыча полезных ископаемых в последнее время из года в год снижается, новые месторождения в области не осваиваются. Даже при неуклонном снижении добычи восполнения минерально-сырьевой базы не происходит, что вызвано стремительным падением объемом геологоразведочных работ.
Уголь

Кузнецкий каменноугольный бассейн (Кузбасс) - крупнейший из всех эксплуатируемых каменноугольных бассейнов мира, как по запасам, так и по качеству углей. Угленосные отложения Кузнецкого бассейна занимают межгорную котловину, ограниченную горными сооружениями: с запада - Салаирским кряжем, с юга и востока - Горной Шорией и Кузнецким Алатау, с севера - Колывань-Томской складчатой зоной. Процесс угленакопления начался в девоне и закончился в юрский период. В разрезе осадков бассейна, достигающих мощности 5-7 километров, отчетливо выделяются три крупных интервала с высокой угленосностью, которая связана с верхнепалеозойскими отложениями, залегающими на морских осадках карбона и разделенными на две серии - балахонскую (от среднего карбона до нижней перми), и кольчугинскую (верхнепермскую). Залегающие выше бурые юрские угли промышленного значения не имеют.

В усредненном разрезе угленосных отложений бассейна насчитывается порядка 130 пластов угля суммарной мощностью около 350 метров. Большая часть пластов угля имеет сложное строение и состоит из нескольких пачек угля, разделенных прослоями пород различной мощности. Имеются пласты мощностью 10-12 метров, а наибольшую мощность (до 40 метров) имеет пласт Мощный на Бачатском и Краснобродском месторождениях, при средней мощности пластов бассейна около 4 метров.

Кузнецкий бассейн в структурном отношении представляет собой крупный синклинорий (геосинклинальный прогиб) неправильной четырехугольной формы, длинная ось которого вытянута с юго-востока на северо-запад. Длина бассейна 335 километров, ширина - 110 километров, площадь - 26,7 тысячи квадратных километров. По структурно-тектоническим особенностям в Кузбассе выделяется 25 геолого-промышленных районов, в том числе в пределах Кемеровской области - 23 и 2 - в Новосибирской области.

Угли Кузнецкого бассейна гумусовые и по степени метаморфоза представлены всеми 17 марками - от бурых до антрацитов. Угли нижней балахонской серии подразделяются на марки: коксовые, слабоспекающиеся, антрациты и другие. Угли кольчугинской серии имеют марки: длиннопламенные, газовые, жирные и другие.

Добываемые угли имеют следующие качественные показатели: влажность - 5,5 %, зольность - 8,0 %, выход летучих веществ у балахонских углей - 21,0 %, у кольчугинских - 36,0 %, содержание серы - 0, 37 %, фосфора - 0,026 %, низшая удельная теплота сгорания топлива - 6000 - 8800 ккал/кг.

В зависимости от марочного состава и качественных показателей угли Кузнецкого бассейна обладают важными технологическими свойстивами. Отдельные марки используются для получения кокса, другие - пригодны для получения жидкого топлива, третьи - в электродной и металлургической промышленности. Угли всех марок могут использоваться в энергетике и коммунально-бытовом хозяйстве, а также в химической промышленности.

Неспекающиеся и слабоспекающиеся угли и антрацит могут использоваться для газификации с целью получения энергетических и технологических газов. Из антрацитов получают карбиды кремния (карборунд), кальция, термоантрациты и термографиты. Из спекающихся и неспекающихся углей - углеродные адсорбенты (активные угли).

Общие ресурсы каменного угля и антрацитов бассейна составляют 524,5 млрд. тонн, в том числе коксующихся марок – 283, 4 млрд. тонн. Из них разведанных – соответственно 107,3 и 54,6 млрд. тонн, в том числе балансовых запасов (готовых к добыче) категорий А + В + С₁ – 57,3 и 30,1 млрд. тонн.

Шахты и разрезы осваивают месторождения и участки с лучшими по качеству и условиям залегания угольные пласты. Наибольшая часть шахт ведет добычу на относительно небольшой глубине - 150-300 метров, а разрезы - 60-200 метров. Лишь отдельные шахты в Анжерском, Кемеровском и Прокопьевско-Киселевском геолого-промышленных районах разрабатывают пласты на глубине 350-700 метров.

Важной благоприятной особенностью залегания углей в Кузбассе является высокая доля пологих и наклонных пластов - почти 80 процентов. При добыче угля из этих пластов можно применять горнодобычные машины-комбайны, угледобывающие комплексы и конвейеры. Применение этих механизмов не только облегчает условия работы шахтеров, но и способствует повышению производительности труда.

Наиболее ценными углями являются коксующиеся, то есть угли, из которых выжигают (выпекают) кокс - основной вид технологического топлива для выплавки чугуна. Этот уголь очень ценится на мировом рынке. Чем отличается коксующийся уголь от энергетического угля? Если взять кусок угля Томусинского, Прокопьевского или Ленинского месторождений, то в нем можно увидеть тонкие блестящие стекловидные полоски. Этот блеск зависит от наличия в нем витринита (витрум - от латинского - стекло). Особенностью витринита является то, что при высокой температуре он способен плавиться и обретает свойство спекания (склеивания) микрочастиц угля в плотную массу - кокс. Чем больше в угле витринита, тем выше его качество коксования.

Кузнецкий бассейн обладает большими запасами коксующихся углей. На его долю приходится почти 50 процентов запасов этих углей в России. Основные запасы коксующихся углей сосредоточены в Ленинском, Терсинском, Томусинском, Ерунаковском, Прокопьевско-Киселевском, Кемеровском и Беловском угленосных районах, а также в Байдаевском, Плотниковском, Кондомском, Крапивинском, Осинниковском месторождениях.

В недрах Кузбасса имеются значительные запасы угля для открытой добычи и основные запасы неглубоко залегающих углей сосредоточены в Ерунаковском, Карканском, Ленинском, Томусинском, Мрасском, Бачатском районах.

В будущем, при создании геолого-экономической модели освоения угольных месторождений Кузбасса, необходимо обращать особое внимание на горно-геологические и социальные факторы добычи угля. Исследования и расчеты специалистов показывают, что в кузнецких углях содержится много ценных, но в то же время токсичных примесей. Однако комплексное использование углей бассейна позволит повысить ценность углей Кузбасса, в которых содержится много редких и рассеянных элементов, а из золы выгодно извлекать германий, кадмий, лантан, церий, литий, ванадий, свинец, цинк, галлий. При сжигании угля с дымом в атмосфере рассеиваются индий, молибден, хром, кобальт, сурьма, олово, мышьяк, серебро, медь, никель, которые являются токсичными для человека и природы.

Несмотря на то, что геология и запасы угля Кузнецкого бассейна менее изучены, чем в Донбассе (Украина и Ростовская область России), выявленные и подготовленные участки для разработки дают основания полагать, что при современном уровне добычи их хватит на 400 лет.

Была построена лабораторная установка, похожая на мясорубку: в воронку загружали уголь, с помощью шнека он (сапропелит) подавался в нагревательное устройство, а на выходе получали жидкость – битум, который по качеству не уступал битуму, полученному при перегонке нефти.

(Битум – (в переводе с латинского – горная смола), твёрдые или смолоподобные водонерастворимые смеси углеводородов. Применяются в дорожном строительстве в виде асфальта, а также в производстве различных электро- и гидроизоляционных материалов (например, рубероид). Барзасское месторождение сапропелитовых углей расположено в Кемеровском районе. Оно было открыто в 1914 году при исследовании долины реки Томи геологи А. А. Снятков и В. С. Панкратов в устье ручья Спускового нашли несколько легких камней. Их поразило листоватое строение минерала и то, что он легко загорался от пламени одной спички и горел сильным коптящим пламенем. В честь реки Томи геологи назвали его томитом. Образцы породы были отправлены в Санкт-Петербург на исследование. Известный ученый-палеоботаник М. Д. Залесский определил, что это новая разновидность сапропелитового угля и назвал его сапромикситом. Это полезное ископаемое также называли барзасской рогожкой, так как угли похожи на хорошо спрессованные узкие листья водрослей – рогожки. В настоящее время сапропелитовые угли называют барзаситы.

Летом 1926, а затем летом 1927 года геолог С.В. Кумпан нашел несколько кусков сапромиксита в долине реки Барзас и его притокам – Камжале, Суете, Таловке, Заречной, Чернушке, Берёзовке и другим. А летом 1929 года экспедиция В.А. Орестова, руководимая С.В. Кумпаном, вышла на первое месторождение с толщиной угольного пласта всего в 10 сантиметров, а затем и второе месторождение – пласт Устюжанский – толщиной 130 сантиметров. Вскоре геологи вышли и на третий пласт – Дедушкин – толщиной угольного пласта 180 сантиметров. Был открыт и пласт «Основной», который простирается на 8 километров и толщиной угольного пласта от 80 до 480 сантиметров. Общая полоса углей прослеживается на протяжении 80 километров.

Оригинальный вид, легкость, листоватое строение и большое содержание смолистых и летучих веществ, привлекали к томиту внимание геологов, палеоботаников, химиков.

Но местное население притомских деревень уже давно использовали томит в своей жизни – это ловля рыбы поздней осенью, когда в водоемах вода становится прозрачной. В темные ночи рыбаки отправлялись на рыбалку, на корме лодки, над водой зажигали факел, основой которого являлись куски сапромиксита, дававшие долгий свет. Свет падал на дно, где отдыхала крупная рыба, и били ее острогой.

В 1918 году известный русский химик, один из основоположников органического катализа и нефтехимии, создатель угольного противогаза Николай Дмитриевич Зелинский провел опыты. Они показали, что томит – это хорошее сырье для получения горючих фракций похожих на фракции, получаемые из природной нефти. Томит даже стали называть нефтяной рудой. Но в условиях гражданской войны было не до сапромиксита, и про него забыли.

Сапропелитовый уголь по происхождению – это некий промежуток между каменным углём и нефтью. Он создан природой из древних морских водорослей и остатков планктонных организмов в девонский период палеозойской эры (более 300 млн. лет назад).

Сапропелитовые угли – это своего рода химический феномен по содержанию химических элементов. Кусок такого угля можно сравнить с книгой из тонких пергаментных листов, пропитанных нефтью. Такой уголь не пригоден для энергетики, но очень ценен для химиков. Из сапропелитового угля, гораздо легче и дешевле, чем из каменного, но дороже, чем из нефти, можно получать бензин, керосин, дёготь и битум. На середину июля 2005 года один баррель нефти (158 988 куб дм) на мировом рынке стоил более 60 $ США. Поэтому переработка даже каменного угля в бензин (не говоря о сапропеливовых углях) становится сопостовимой с перегонкой бензина из нефти.

В 1915 году впервые заговорили о горючем угле Барзаса, из которого можно было «гнать» бензин. В 30-х годах прошлого века в Кемерове начали строить завод, который и должен был перерабатывать угли Барзаса. Для этой цели в 1934 году была построена железная дорога Кемерово – Барзас именно к этому месторождению. (Её строительство курировал К.Е. Ворошилов по личному указанию И.В. Сталина). В Барзасе была построена и работала до 1937 года шахта «Барзасская», успевшая добыть около 60 тысяч тонн сапропелитовых углей. В 1937 году шахта сгорела и больше не восстанавливалась.

В 1934 году в Кемерово был сдан в эксплуатацию углеперегонный завод с проектной мощностью 100 тысяч тонн угля в год. По плану он должен был производить 60 тысяч тонн полукокса и 25 тысяч тонн смолы. Переработка смолы давала светлые товарные продукты (бензин, керосин). На полную мощность завод не был пущен в связи с открытием крупных месторождений нефти в районах Поволжья. В последующие годы в Кемерове была принята топливно-химическая схема переработки каменных углей, и углеперегонный завод был ликвидирован в конце 40-х годов. Завод полукоксования в городе Ленинск-Кузнецком изначально тоже строился для переработки сапропелитовых углей, но перерабатывает местные каменные угли.

С середины 80-х годов XX века группа учёных института угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук впервые серьёзно начали изучать Барзасское месторождение сапропелитовых углей.

Современные технологии позволяют сегодня плавить сапропелитовые угли, как руду, но при температуре всего в 300 градусов.
Учёные института угля и углехимии в конце 80-х годов прошлого века разработали специальную установку для получения строительного битума. Её производительность – переработка пяти тонн угля в час. Из полученной массы выходило 30%, или 1,5 тонны, битума в час. На битум постоянный спрос – быстро развивается строительство и в стране, и в Кузбассе.

В настоящее время проведено детальное изучение Барзасского месторождения сапропелитовых углей. Разведанные запасы угля составляют более 30 миллионов тонн, которые уже сегодня можно выгодно отрабатывать и получать из них бензин и битум. Угли залегают на глубинах от 50 до 200 метров, что позволяет применять новейшие технологии добычи угля шахтами-модулями с применением любой современной техники. Главный пласт месторождения «Основной» имеет мощность от 1,5 до 2,5 метров с запасами до 20 миллионов тонн. Мощность новой шахты – до одного миллиона тонн угля в год. Но это в перспективе, хотя Барзасское месторождение сапропелитовых углей в России самое ценное по углеводородному составу. Наращивать запасы углей можно за счёт геологической разведки в сторону города Анжеро-Судженска, который также был более 300 миллионов лет назад дном морского залива.

На северо-востоке Кемеровской области расположена западная часть Канско-Ачинского буроугольного бассейна, основная же часть его находится в Красноярском крае - 80 процентов запасов. Уропско-Кийский буроугленосный район (так называется часть бассейна на территории нашей области) на юго-западе и западе ограничена горным массивом Кузнецкого Алатау. На севере угленосные юрские отложения погружаются под меловые, и граница их не установлена. Наличие здесь бурых углей отмечалось со второй половины XIX века. Систематическое изучение началось в период строительства Транссибирской железной дороги, а наиболее активные разведочные работы – с сороковых годов ХХ столетия.

В настоящее время определены запасы по Итатскому, Барандатскому, Тисульскому и Урюпскому (Березовскому) месторождениям. Промышленная угленосность в Кемеровской части Канско-Ачинского бассейна связана с юрскими отложениями, залегающими с перерывом на породах докембрия и палеозоя. Мощность угленосных отложений - около 600 метров. Максимальная угленосность связана с итатской свитой, включающей до 17 пластов бурого угля.

Особый промышленный интерес имеет пласт Итатский, его средняя мощность 58 метров при колебаниях от 10 до 98 метров. Строение пласта - от простого до очень сложного (от 1-2 до 30 прослоев породы аргиллитов).

Угли гумусовые бурые имеют средние показатели: влажность - 36,1 %, зольность - 8,2 %, выход летучих веществ - 46,4 %, содержание серы - 0,3-0,7 %, низкая теплотворная способность - 14,8 МДж/кг /3530 ккал/кг/.

Высокая влажность, низкая атмосфероустойчивость, быстрое окисление и склонность к самовозгаранию препятствуют перевозке углей на большие расстояния. Проведенными исследованиями установлена хорошая брикетируемость углей, а, следовательно, и повышение транспортабельности. Из углей пласта Итатского получается кондиционный буроугольный кокс, пригодный для использования в металлургической промышленности. Подвергая бурые угли бассейна энерготехнологической переработке (скоростной пиролиз), можно получать полукокс с теплотой сгорания 6500 ккал/кг, высококалорийный газ и смолу. При переработке смолы получают бензол, фенолы, нафталин и другие продукты. Методом гидрогенизации из углей можно получать жидкое топливо. Окисленные бурые угли дают много гуминовых кислот и различных препаратов на их основе.

Ресурсы бурого угля в Кемеровской части Канско-Ачинского бассейна составляют 97,7 млрд. тонн до глубины 600 метров.

Нефть из Южно-Борисовской скважины 29 (Крапивинский район) - зеленовато-желтая жидкость, горючая, с резким запахом керосина. Нефть из скважины с. Сыромолотное (Промышленовский район) - легкоподвижная прозрачная жидкость желтовато-зеленоватого цвета. Содержание бензиновых фракций 70,9 %, керосиновых - 24,8 %, масляных - 4,3 %, серы - до 0,15 %. Парафины, асфальтены и смолы отсутствуют.

Битумо-, нефте- и газопроявления являются прямыми признаками нефтегазоносности. В Кузбассе известно более 600 таких проявлений, и они распространены по всей осадочной толще, начиная с девона и кончая нижним отделом мелового периода.

Битумопроявления в Кузнецкой впадине встречаются во многих районах в обнажениях, горных выработках, скважинах. Минералогические типы битумов: нефтеподобные жидкости, озокериты, асфальты, гильсониты и грагамиты, альбериты и импсониты, атроксолиты. В скважинах встречаются в основном жидкие, вязкие, пластичные и мазеподобные битумы. Твердые битумы известны в обнажениях, например, Крапивинского поднятия. Элементарный и компонентный состав битумов свидетельствует об их нефтяной природе. Битум вблизи города Киселевска состоит из 85,84 % углерода, 12,98 % водорода, 1,48 % кислорода, содержание масел - 86 %, смол бензольных - 8,03 %, смол спирто-бензольных - 2,92 %, асфальтенов - 3,05 %.

По химическому составу нефти бассейна относятся к двум классам. Один класс (села Узунцы, Осиновое Плесо, Абашево-1, Кыргай) - это нефти существенно метановые (метановых фракций более 75 %), бессернистые (серы - 0,08 %), парафинистые и высокопарафинистые (парафина - 5-25 %). Нефти легкие. Другой класс – это нефти (с. Сыромолотное) метано-нафтеновые (нафтеновых фракций более 50 %). Парафина и смол в них нет, серы - до 0,15 %. Это очень легкая нефть.

Повышенным содержанием парафина отличается нефть не морского происхождения. Возможно, нефть Кузнецкого бассейна первого класса (парафинистую) следует считать не морской, а второго класса - морской, поднявшейся в верхние горизонты осадочной толщи с глубин, занятых морскими отложениями. Отсутствие асфальтенов, небольшое количество смол дает основание считать, что в верхние слои бассейна нефть поступила из нижних горизонтов. Полное отсутствие в нефти фенолов и непредельных углеводородов исключают угольную природу нефти.

На Борисовской структуре (Крапивинский район) установлено выделение газа из трех горизонтов. В составе газа: метана - 85,6 %, тяжелых углеводородов - 8,7 %, в том числе: этан - 8,1 %, пропан - 0,42 %, бутан - 0,18 %), азота и редких газов - 3 %. На Сыромолотненской структуре получен приток свободного газа с максимальным дебитом 18250 куб. м/сутки. В скважине 77 этого месторождения на глубине 351 м вскрыта газовая залежь с дебитом до 40000 куб. м/сутки. На Морской площади, в скважине Томской Глубокой установлены три газоносных горизонта. Газ метановый с содержанием тяжелых углеводородов до 5,7 %. Повышенное содержание в метановых газах тяжелых углеводородов является характерным для газовых шапок нефтяных месторождений.

В Кузнецком бассейне в ряде мест отмечены аномальные значения содержания тяжелых углеводородов. На шахте Бирюлинская (район города Березовского) в скважине Р-5 на глубине 2320 - 2970 метров из нижнебалахонских пород получен мощный фонтан. Состав газа: метан - 1,7 %, этан - 23-30 %, пропан - 8-23 %, бутан - до 7,1 %, кислород - 1,6 %, азот - 13,7-32,2 %. Столь высокое содержание тяжелых углеводородов - показатель того, что в Кузбассе могут быть выявлены месторождения с крупными ресурсами этаносодержащих газов и углеводородных компонентов - ценного сырья для химической промышленности.