Технология угольного производства
Источники энергии – Угольные месторождения (Уголь): добыча каменного и бурого угля, угля антрацита, ресурсы, запасы, залежи, бассейны и месторождения угля, шахты и разрезы угля, применение матового и блестящего угля, использование угля в качестве топлива, черный природный уголь, коксовые (коксующиеся) угли, ископаемый древесный уголь, калорийность угля и процент золы, остающейся от различных углей
Ископаемый уголь как топливо был известен человеку еще в каменном веке.
Упоминания о каменном угле встречаются в сочинении знаменитого философа древней
Греции Аристотеля, жившего в IV в. до н.э. В широких масштабах, добыча
каменного угля в европейских странах началась примерно в XVII в. В нашей стране
основные каменноугольные бассейны были открыты в XVIII в. В 1721 г. Григорий
Капустин нашел уголь в Донбассе, а Иван Палицын — в Подмосковном бассейне.
Годом позже Михаил Волков открыл уголь Кузбасса.
Первооткрывателями самых крупных в
России каменноугольных бассейнов были простые русские люди.
С тех пор как изобрели паровую машину и нашли способ плавить руды вместо
древесного угля на каменном, последний стал одним из самых важных горючих
ископаемых. В наше время ежедневно тысячи поездов везут каменный уголь на
металлургические заводы, где его сжигают в коксовых печах и домнах. Камен-ный
уголь сжигают в топках тепловых электростанций и других паросиловых установок.
Из каменного угля получают бензин, смолу, пластмассы, светильный газ, аммиак и
многие сотни других ценных продуктов.
Цвет ископаемых углей изменяется от светлого и бурого до черного. Угли
бывают матовые и блестящие, рыхлые и твердые, как камень. Химический состав
ископаемых углей тоже различен. Все свойства углей зависят от материала, из которого
они образовались, и от дальнейших изменений. Одни угли образовались из остатков
древесной и травянистой растительности, другие — из водорослей, спор и остатков
микроорганизмов.
Великий русский ученый М. В. Ломоносов первый в геологической науке
пришел к выводу, что каменный уголь образовался из древних торфяников при
участии «подземного огня». Залежи каменных углей образовывались во многие
периоды жизни Земли — в каменноугольный, пермский, юрский, а также в третичное
время. По химическому составу, внешним признакам, теплотворной способности и
некоторым другим особенностям ископаемые угли разделяются на бурые, каменные и
антрациты.
Бурые угли встречаются как в форме плотных, так и землистых рыхлых масс;
цвет их темно-бурый или почти черный. Блеск в изломе обычно матовый или
тусклый. Твердость небольшая. Нередко в изломе глыбы бурого угля можно
невооруженным глазом увидеть растительные остатки. Калорийность бурых углей от
2000 до 6200 калорий. В большинстве своем бурые угли дают много золы (до 40%) и
содержат много серы (1—2%).
Каменные угли - черные, реже
буровато-черные массы; иногда они обладают жирным или смоляным блеском.
Излом — раковистый или занозистый. Угли пачкают руки. В микроскоп видно,
что они также образовались из растений. В техническом отношении, каменные угли
разделяются на спекающиеся (коксовые, коксующиеся угли), слабоспекающиеся
(слабококсовые угли) и неспекающиеся (тощие порошковатые угли). Калорийность
каменных углей колеблется в пределах 6600—8750 калорий.
Антрациты — это плотные смоляно-серые или железо-черные массы с
металлическим блеском. Иногда на поверхности скола наблюдаются радужные
переливы. Руки ан-трациты не пачкают. Твердость значительно выше, чем у
каменных углей. Антрацит заго-рается очень трудно и горит только при сильной
тяге. Калорийность его достигает 8650 калорий.
Ресурсы природных углей извлекают из-под земли двумя способами —
подземным или открытым. Современные предприятия горнодобывающей промышленности
— настоящие заводы. «Завод» для подземной добычи представляет собой шахту, для
открытой добычи - карьер. Почти все работы в шахте выполняют в наше время
машины. На разных шахтах они бывают разными, в зависимости от того, какое
именно полезное ископаемое добывают под землей — сравнительно мягкое или более
твердое. Например, каменный уголь можно просто резать специальными машинами.
Шахта начинается с глубокого колодца или крутого тоннеля — ствола. Ствол
шахты и строят (горняки говорят — «проходят») так же, как колодец: его
понемногу углубляют сверху вниз, постоянно укрепляя стенки, чтобы они не
обваливались.
Проходчики шахтных стволов вооружены перфораторами — машинами, которые с
помощью сжатого воздуха бурят неглубокие узкие скважины под взрывчатку;
грейфе-рами для погрузки взорванного камня; подъемными машинами, которые
вытаскивают этот камень на поверхность в стальных бадьях, и многими другими
механизмами. А крепят стенки шахтных стволов бетоном, железобетоном, чугунными
кольцами — тюбингами.
Назначение ствола — связь разработок с поверхностью. По одним стволам
ходят клети (это стальные коробки, похожие на кабину лифта), по другим —
опускается и поднимается скип — стальной короб для руды или угля. Иногда, если
ствол не вертикальный, а наклонный, как эскалаторный тоннель в метро, по нему
движется лента конвейера. Но почти во всех шахтных стволах обязательно есть
машины для подъема на-гора полезного ископаемого и спуска в шахту людей и
машин. Нет машин только в специальных, вентиляционных стволах. Через них мощные
вентиляторы нагнетают в шахту свежий воздух.
Внизу от ствола в разные стороны отходят подземные коридоры — штреки. В
них уложены рельсы или стоят конвейеры. По этим штрекам к шахтному стволу
подвозят уголь. Если идти по штрекам от ствола, то в конце концов попадешь в
забой — туда, где запасы угля отделяют от пласта и грузят на конвейер или в
вагонетку.
Для того чтобы штреки и забои, в которых добывают уголь (на угольных
шахтах они называются лавами), не были раздавлены огромными массами находящихся
над ними горных пород, прорубленные под землей коридоры крепят — подпирают
потолок («кров-лю») и стенки бревнами, железобетонными рамами, стальными
арками. В настоящее время повсеместно применяется железобетонная и стальная
крепь. А в угольных лавах работает механизированная, «шагающая» крепь.
Много лет назад в руках у
рабочего-забойщика были кайло да лопата.
Кайлом он отбивал уголь, лопатой грузил его в тачку или в вагонетку,
которую тянула к стволу слепая от вечной темноты лошадь. Сейчас на угольных
шахтах забойщик управляет врубовой машиной, горным комбайном, стругом и т. д.
Главная часть врубовой машины — бесконечная (в форме петли) цепь, на которой
укреплены острые зубки из твердого сплава. Цепь приводится в движение
электромотором, и ею, как пилой, «подрезают» угольный пласт.
Горный комбайн снабжен, кроме режущего уголь устройства, механизмом для
погрузки угля на конвейер. Он одновременно разрезает угольный пласт, отбивает
от него куски угля, измельчает их и грузит на конвейер. А угольный струг — это
нечто вроде огромного рубанка, которым, протягивая его на стальных цепях и
канатах взад и вперед, строгают пласт угля.
Но существуют и такие шахты, где нет никаких комбайнов, никаких стругов
и конвейеров. Уголь здесь рубят не резцами и зубьями стальных машин, а струей
воды. Главная машина на такой шахте — гидромонитор, который похож на пушку с
коротким стволом или на огромный пожарный брандспойт.
Вырываясь из ствола гидромонитора под давлением в десятки атмосфер,
струя воды ударяет в пласт угля и отбивает от него куски разной величины. Потом
поток воды подхватывает этот уголь и по желобам, проложенным в штреках
гидрошахты вместо конвейеров, несет угольное топливо из забоя. Если силы
текущей по желобам воды оказывается недостаточно, чтобы нести весь уголь
дальше, приходится ставить насосы и качать уголь вместе с водой уже по трубам.
А возле ствола поток воды, перемешанный с углем, снова подхватывают мощные
насосы и по трубам откачивают воду вместе с углем на-гора. Здесь вода с углем
попадает в специальные бассейны — отстойники.
Когда весь уголь, даже самый мелкий,
осядет на дно, воду из бассейнов выпускают или гонят по трубам опять в шахту, к
гидромониторам. И вода снова проделывает весь свой рабочий путь — идет под
напором в шахту, рвется из сопла гидромонитора, рубит уголь, «везет» его из
забоя... Кроме того, вода, находящаяся под большим давлением, крутит сверло, и
ее силы хватает, чтобы бурить скважины в угле. Вода вращает вентиляторы,
которые гонят свежий воздух в отдаленные забои. Вода вертит даже маленькую
динамо-машину, дающую энергию для освещения штреков. Уголь, добытый на
гидрошахтах, получается дешевле — на таких шахтах меньше сложного оборудования,
меньше машин, меньше тратится энергии.
Кроме полезного ископаемого, из шахты
приходится везти на поверхность пустую породу, которая окружает в недрах земли
ресурсы угля. Из этой пустой породы и образуются высокие конусы—терриконы, по
которым всегда легко издалека опознать шахту. Издалека виден и копер — башня
над шахтным стволом, в которой расположена машина, поднимающая и опускающая
клеть или скип.
Есть и другой способ вывести горняка
из-под земли — открытые разработки.
Все шире развивается открытая добыча каменного, а особенно бурого угля,
фосфоритов, серы и других полезных ископаемых. И нередко там, где вчера еще
стали бы строить шахту, сегодня строят карьер, или разрез. А это значит -
полная безопасность и чистый воздух для шахтеров, применение в производстве
самых могучих машин, и получение самого дешевого топлива - угля.
Но дешевым он будет, только если вопрос
о том, что строить на новом месторождении шахту или карьер, решен правильно. А
для этого следует подсчитать, сколько пустой, бесполезной земли нужно вынуть из
недр, чтобы добыть один кубометр полезного ископаемого. Если два-три кубометра,
то дело ясное: нужно строить карьер. Если 30—40 кубометров, то заведомо
придется строить шахту. А вот если больше, чем два-три, и меньше, чем
тридцать-сорок, - требуется точный расчет, окупит ли добытая в карьере руда
расходы на пустую породу.
С каждым годом промышленность выпускает все более могучую технику,
которая делает все более дешевым строительство карьеров. И потому с каждым
годом увеличивается число кубометров пустой породы, приходящееся на кубометр
руды, при котором выгодней строить карьер, чем шахту. Применение техники
помогает карьерам отвоевывать у шахт все новые и новые месторождения.
Но бывает и так, что на кубометр руды приходится всего два кубометра
грунта, а карьер все-таки строить невыгодно. Так получается в том случае, когда
богатый запасами пласт полезного ископаемого залегает слишком глубоко, и,
прежде чем удалось бы добраться до него, пришлось бы десятки лет строить
карьер. Тут уж надо строить шахту.
Существует и еще один тип месторождений
– подводные запасы и залежи угля. Обычно, добыча под морским дном происходит
через штреки, ведущие к шахте на суше.
Подводные месторождения представляют
собой продолжения обычных материковых месторождений. А вот что делается под
«настоящим» глубоким океанским дном, пока еще доподлинно неизвестно. Люди
только начинают разгадывать загадки земли, упрятанные природой под воду. Но и
то, что уже известно о богатствах океана, поражает воображение. Огромные
площади океанского дна покрыты сплошным слоем железомарганцевых руд с примесями
многих других металлов. Кобальта в этих рудах в тысячу раз больше, чем в
известных месторождениях материков. А марганца там десятки миллиардов тонн.
И хотя сейчас еще преждевременно писать
о конкретных способах добычи полезных ископаемых со дна и из-под дна океана,
одно совершенно ясно: в недалеком будущем рядом с нефтяными и газовыми
скважинами, с угольными шахтами и карьерами станут в строй их разнообразные
океанские собратья.
Сегодня широко разрабатываются
технологии газификации угля, способные дать новую жизнь многим месторождениям.
Промышленная газификация угля способна дать дешевый метан и водород с
возможностью их производства практически в месте потребления. Как и сланцы,
газификация угля является постоянной головной болью классического
нефтегазпрома, поскольку способна быстро лишить его большей доли рынка.
Сланцевый газ уже лишил нашего газового монополиста 20% европейского рынка.
Однако пока это цветочки. С выходом в свет дешевых технологий газификации угля,
европейцам вообще не понадобится покупать российский газ – они будут делать его
сразу у себя. И это будет обходиться в разы дешевле.