книги из ГПНТБ / Менковский М.А. Химия в угольной промышленности

Проф. М. А. MEНКОВСКИЙ

| Э.чзе?.'п j

химия

в УГОЛЬНОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ

Москва 1960

ВВЕДЕНИЕ

XXI съезд КПСС наметил широкую программу развития важ­

нейших отраслей промышленности, в том числе угольной и хи­ мической. Мобилизация всех возможных сырьевых ресурсов требует расширения знаний по химии и специализации их и для работников угольной промышленности.

Решения майского (1958 г.) Пленума ЦК КПСС призывают использовать химию во всех отраслях промышленности; уголь

же является сырьем для производства пластических масс, искус­ ственного волокна и других ценнейших химических продуктов.

Отходы углеобогатительных фабрик и выдаваемая из шахт порода до сих пор используются в очень слабой степени, тогда как они могут быть сырьем для получения на месте строитель­ ных материалов.

Само угольное вещество является комплексом разнообразных весьма ценных элементов. Известно, какое большое значение в современной технике приобрели полупроводники для радиоло­

кационных и телевизионных установок, счетных машин, контроль­ ных приборов и т. д. А между тем в углях содержатся германий,

галлий и другие рассеянные и редкие элементы, применяющиеся при производстве полупроводников. При достигнутом объеме

добычи угля, при содержании в нем рассеянных и редких эле­ ментов в пределах 0,001—0,1% выявляется возможность полу­ чения этих элементов в десятках тысяч тонн. При этом нельзя

забывать, что стоимость некоторых рассеянных элементов определяется в тысячах рублей за килограмм, т. е- содержа­ щиеся в угле элементы стоят значительно дороже самого угля.

Если до сих пор работники угольной промышленности сосре­ доточивали основное внимание преимущественно на количест­ венной стороне вопроса добычи угля, то теперь настала пора подумать и о качественной стороне и не только с точки зрения качества угля как материала для коксования или энергетиче­ ского его использования, но и об использовании всех полезных компонентов, содержащихся в нем.

з

Глава 1

КАМЕННЫЕ УГЛИ В ЗЕМНОЙ КОРЕ И ИХ МЕСТО СРЕДИ ДРУГИХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Толща твердой оболочки Земли, или земная кора, сложена

из обособленных друг от друга масс — горных пород. Внешняя оболочка представлена преимущественно осадочными породами (песком, глиной, известняками, сланцами и т. п.), среди кото­ рых находят отложения различных полезных ископаемых, в том числе углей.

Человек проник в глубь Земли при помощи буровых скважин примерно на расстояние 5 км, что составляет менее 0,001 радиуса Земли. Геологические исследования горообразовательных про­ цессов, наблюдения над землетрясениями и другими явлениями позволяют изучать толщу Земли на расстоянии до 20 км.

Остальная толща земной коры (до 70 км) познается лишь

косвенными методами (главным образом геофизическими).

Общее количество отдельных видов минералов в земной коре

исчисляется тысячами, однако наиболее часто встречающихся имеется всего несколько десятков. Многие из минералов скоп­ лены до таких пределов, что уже являются полезными ископае­ мыми.

Так, например, магнитный железняк РезО4 и красный желез­ няк Fe2O3 встречаются в виде рассеянных породообразующих минералов, а иногда они скопляются в таких количествах, что яв­ ляются важнейшими рудами для получения чугуна и стали. Халь­ копирит FeCuS2 является сырьем для получения меди и серной

кислоты; из гипса CaSO42Н2О готовят строительный гипс и т. д.

Химический состав земной коры на глубине до 16 км пред­

ставлен в табл. 1.

Более 97% земной коры состоит всего лишь из 15 химических элементов, из которых на долю двух — кислорода и кремния — приходится больше 75%.

Для практического использования полезных ископаемых имеют значение характер их распределения и условия залегания.

5

Таблица 1

Содержание химических элементов в земной коре

бедные руды могут разрабатываться. Следует иметь в виду, что часто даже отвальные породы, остающиеся после добычи основ­ ного полезного ископаемого, могут представлять интерес для получения содержащихся в них веществ. Например, такие ме­

таллы, как медь, свинец, олово и цинк, стали ранее других до­ ступны для использования потому, что образуют сравнительно мощные скопления, тогда как ванадий или церий, считающиеся редкими элементами, добываются из рассеянных сырьевых

источников.

Почти все легкие металлы встречаются в земной коре преиму­ щественно в виде окислов. Тяжелые же металлы, как, напри­

мер, ванадий, цирконий, медь, цинк и свинец, чаще образуют сульфидные залежи. Тяжелые металлы, поднимаясь из глубин Земли к поверхностным зонам в виде горячих растворов, запол­ няют трещины и образуют рудные жилы (очень часто встре­ чается жильный кварц или кальцит с включением рудного минерала). Значительная часть рудного вещества может оставаться в застывающем магматическом расплаве также и в рассеянном состоянии, и тогда образуются вкрапленные

РУДЫ.

Земная кора первоначально состояла из изверженных пород. Разрушаясь под воздействием атмосферных агентов (выветри­ вание, размывание, изменение температуры), продукты распада кристаллических пород, отлагаясь на дне морей и океанов, по­ крыли изверженные породы первичной земной коры, а равно и древние осадочные породы, образовав пласты более молодых

осадочных пород.

При этом растворенные и снова отложенные в виде осадков рассеянные в горных породах минеральные вещества образовы­

вали осадочные залежи.

В твердой оболочке земной коры имеют место и процессы, связанные с жизнедеятельностью живых организмов (биосфе­ рой), благодаря которой иногда накапливаются редкие элементы.

Из биосферы в земную кору переходят также твердые скелеты

6

различных живых организмов, образуя отложения кальцита (из­ вестняка), фосфоритов и других биогенных руд.

Взаимосвязь между химией угля и окружающих его пород имеет значение при выборе метода ведения горных работ и для прогноза качества еще не разрабатывающихся угольных пла­ стов, а следовательно, для оценки возможностей комплексного

использования полезных ископаемых, залегающих в данном районе.

В 1936 г. ВУГИ * выпустил первую геолого-химическую карту Донецкого бассейна, охватывающую Сталино-Макеевский район;

позднее подобные карты стали выпускаться и для других райо­

нов Донбасса. В настоящее время выпущены геолого-химические карты, охватывающие почти все районы Донецкого бассейна.

Геолого-химические карты суммируют сведения не только по угольным пластам, но и по вмещающим их породам. При помощи этих карт можно делать выводы об обогатимости углей отдель­ ных пластов, а также о пригодности их для целей переработки.

В геолого-химических картах приводятся данные по составу органической массы угля по основным элементам (углероду, водороду, азоту, кислороду), по общим свойствам углей (напри­ мер, окисляемости, коксуемости), а также характеристика золы— температура ее плавления и состав (содержание S1O2, А120з, 'Fe2O3, CaO, MgO). Кроме того, даются сведения по техническому анализу углей (содержание влаги, выход летучих веществ, удель­ ный вес, теплота сгорания, содержание серы и фосфора).

Характер боковых пород показывает в ряде случаев пригод­ ность их для использования в качестве строительных материалов.

Основными породами, сопутствующими угольным пластам, являются сланцы и песчаники, при этом в ряде случаев на границе углей и глинистых сланцев лежат углисто-глинистые и углистые

сланцы. Помимо сланцев и песчаников, среди сопровождающих пород встречаются известняки, доломиты, кварциты и различные силикаты.

Возможность применения ископаемых как сырья для получе­ ния различных строительных материалов всегда следует учиты­

вать при вскрытии и разработке угольных пластов.

Современное развитие двух важнейших разделов геологии — литологии (учения о закономерностях накопления, изменения и распространения осадочных образований) и геотектоники (учения о структуре земной коры) — позволило подойти более сознательно к изучению закономерностей размещения ме­ сторождений всех видов полезных ископаемых, в том числе и каменных углей. Наиболее конкретно это выразилось в том, что в настоящее время, помимо углехимических карт, принято со­ ставлять карты прогноза, т. е. наносить на обычные топографи­

* Всесоюзный научно-исследовательский угольный институт.

7

ческие планы оконтуренные области ожидаемого распростране

ния залежей ископаемых углей.

Карта прогноза ископаемых углей является топографическим планом, на котором нанесены области действительного, вероят­ ного и возможного распространения ископаемых углей примени­ тельно к возрасту (карбоновые, юрские, третичные) и к качеству угля (антрациты, каменные, буро-каменные, собственно бурые угли).

Применительно к масштабу топографического материала карты прогноза углей бывают:

1)обзорные или мелкомасштабные, например в масштабе

1:4 000 000 или 1 : 7 500 000;

2)общие или среднемасштабные, в масштабе 1 : 1000000;

3)промышленные или крупномасштабные, составляе­ мые обычно горнопромышленными организациями; они охваты­

вают территорию, контролируемую угольным комбинатом, тре­

стом или шахтой. Промышленные карты прогноза углей содер­ жат:

а) ожидаемое распространение углей по маркам;

б) потребность в обогащении по содержанию серы;

в) выход летучих веществ (Vя); г) зольность (Лс);

д) степень коксуемости (пластометрические параметры); ж) горнотехнические условия (подошва, кровля, ожидаемая

мощность угольных пластов).

Карта прогноза углей является результатом совместного труда геологов, углехимиков, маркшейдеров, горных инженеров и инженеров-обогатителей.

Обзорные карты прогноза составляются на основе обобщения имеющихся материалов по географическому распро­ странению угледобывающих районов страны.

Общиекарты прогноза также используют данные о рас­ пространении и качестве углей по важнейшим угледобывающим

районам, причем по возможности отражают закономерности нахождения в районе углей отдельных марок, в особенности кок­

сующихся углей. Общая карта позволяет судить также о степени метаморфизма горючего ископаемого в отдельных частях района.

Общая карта может служить основой для проектирования разведочных работ, а также для некоторых ориентировочных горнопромышленных расчетов.

Промышленные карты прогноза весьма разнооб­ разны и могут быть доведены до очень большой точности. Они

бывают чисто геологическими, т. е. отражают такие моменты,

как изменение качества ископаемого, ожидаемые изменения в со­ ставе почвы и кровли, запасы угля. При выявлении некоторых закономерностей во взаимосвязи химического состава и петро­ графической характеристики угля при помощи промышленной карты можно получить ценные сведения по ожидаемому выходу

8