Основные направления промышленного использования У. и.: производство электроэнергии, металлургического кокса, сжигание в энергетических целях, получение при химической переработке разнообразных (до 300 наименований) продуктов. Возрастает потребление У. и. для получения высокоуглеродистых углеграфитовых конструкционных материалов, горного воска, пластических масс, синтетического жидкого и газообразного высококалорийного топлива, ароматических продуктов путём гидрогенизации, высокоазотистых гуминовых кислот для удобрений. Из У. и. извлекаются германий, галий (см. ) .Перспективно извлечение серы из У. и., использование высокоглинозёмистых зол и отходов обогащения для производства алюминия, в качестве керамического и огнеупорного сырья, строительных материалов, средства очистки промышленных сточных вод. Возможное использование У. и. в промышленности определяется их составом и свойствами, характеризующимися большим разнообразием - следствием различий в исходном материале и условиях его преобразования.

  II. Происхождение, состав и свойства

 По составу основного компонента - органического вещества - У. и. подразделяются на 3 генетические группы: гумолиты (гумусовые угли), и сапрогумолиты. Преобладают гумолиты, исходным материалом которых явились остатки высших наземных растений. Отложение их происходило преимущественно в болотах, занимавших низменные побережья морей, заливов, лагун, пресноводных бассейнов (озёр и рек) - автохтонное накопление; более ограниченным было отложение при сносе с прилегающих участков суши в застойные водные бассейны растительного материала и продуктов его преобразования - аллохтонное накопление. Накапливавшийся растительный материал в результате биохимического разложения перерабатывался в ;при этом значительное влияние оказывали обводнённость и химический состав водной среды. Анаэробные (в водной среде) условия приводили к гелификации органического материала - основы образования блестящих - витринитовых, или гелинитовых, углей; аэробные условия и окислительная среда способствовали фюзенизации тканей - образованию волокнистых и сажистых фюзинитовых углей. Элювиация - вымывание проточными водами продуктов окисления лигнино-целлюлозных тканей - сопровождалась обогащением органической массы остатками наиболее устойчивых частей растений (оболочками спор, кутикулой, смоляными тельцами, пробковой тканью коры и т.п.), характерных для матовых лейптинитовых углей. Угли, сложенные почти полностью стойкими форменными элементами (растительными остатками, сохранившими своё строение и очертания), выделяются в особую группу - липтобиолиты (см. ) .

 Сапропелиты (сапропелевые угли) - продукт преобразования низших растений и микроорганизмов планктона, накапливавшихся в органогенном иле озёр и морских лагун. На равных стадиях преобразования органического вещества сапропелиты отличаются от гумолитов более высоким выходом летучих веществ (60-80%) и содержанием водорода (8- 12%).

  Сапрогумолиты - переходная разность У. и., продукт преобразования высших, а также низших растений. Сапропелиты и сапрогумолиты обычно залегают в виде прослоев и линз среди гумусовых углей. Высокозольные разности сапропелитов называют ;они нередко образуют самостоятельные бассейны (например, ) и месторождения.

  Минеральные примеси находятся либо в тонкодисперсном состоянии в органической массе, либо в виде тончайших прослоек и линз, а также кристаллов и конкреций. Источником минеральных примесей в У. и. могут быть: неорганические составные части растений-углеобразователей; терригенный материал, приносимый в области торфообразования водой и ветром, а также минеральные новообразования, выпадающие из растворов вод, циркулирующих в торфяниках. Состав минеральных примесей - кварц, глинистые минералы (главным образом каолиниты), полевые шпаты, пирит, марказит, карбонаты и др. соединения, содержащие Si, Al, Fe, Ca, Mg, К, Na, Ti, редкие и рассеянные элементы (U, Ge, Ga, V и др.). Содержание минеральных примесей изменяется в широких пределах; большая часть из них при сжигании У. и. превращается в золу.

  Различия в исходном материале, степени обводнённости торфяников, химическом составе среды и фациальных обстановках осадко- и торфонакопления, обусловливающие направленность и интенсивность протекания окислительных и восстановительных микробиологических процессов, создали в торфяной стадии основу для образования различных генетических типов У. и. (см. ) .Торфообразование и торфонакопление завершались перекрытием торфяника осадками, образующими породы кровли. Происходившие при относительно невысоких температурах и давлении диагенетические (уплотнение, дегидратация осадков, газовыделение) и биохимические процессы восстановительного характера приводили к превращению торфа в .У. и., включающие слабо разложившиеся древесные остатки, сцементированные землистым углём, называемые лигнитами.

  Бурые угли - одна из разновидностей У. и. - имеют широкое распространение. Доля запасов бурых углей и лигнитов в мировых запасах У. и.- 42%. Неглубокое залегание и большая мощность угольных пластов позволяют широко применять открытый способ разработки, экономические и технические преимущества которого во многом компенсируют относительно низкое качество сырья.

  В результате длительного воздействия повышенных температур и давления бурые угли преобразуются в ,а последние - в .Необратимый процесс постепенного изменения химического состава (прежде всего в направлении обуглероживания), физических и технологических свойств органического вещества в преобразованиях от торфа до антрацита называются углефикацией. Углефикация на стадиях превращения бурых углей в каменные и последних в антрациты, обусловленная происходящими в земной коре процессами, носит название метаморфизма углей. Выделяют 3 основных вида метаморфизма углей: региональный, вызванный воздействием внутренней теплоты Земли и давления перекрывающей толщи пород при погружении У. и. в глубь земной коры; термальный - под влиянием тепла, выделяемого магматическими телами, перекрывшими или внедрившимися в угленосную толщу, либо в подстилающие её отложения; контактовый - под воздействием тепла изверженных пород, внедрившихся в угольные пласты или пересекших их непосредственно; проблематично признаётся возможным метаморфизм углей за счёт повышения температур в областях проявления тектонических сжимающих и скалывающих) усилий - динамометаморфизма.

  Структурно-молекулярная перестройка органического вещества при метаморфизме углей сопровождается последовательным повышением в них относительного содержания углерода, снижением содержания кислорода, выхода летучих веществ; в определённых закономерностях с экстремальными значениями на средних стадиях углефикации изменяются содержание водорода, теплота сгорания, твёрдость, плотность, хрупкость, оптические, электрические и др. физические свойства У. и. ( рис. 1 ). Для определения этих стадий используются: выход летучих веществ V ^Г,содержание углерода, микротвёрдость и др. особенности химического состава и физических свойств углей. Наиболее эффективен метод определения стадии углефикации по отражательной способности витринита ® .

 Каменные угли на средних стадиях метаморфизма приобретают спекающие свойства - способность гелифицированных и липоидных компонентов органического вещества переходить при нагревании в определённых условиях в пластического состояние и образовывать пористый монолит - .Относительное количество запасов У. и. с высокой спекающейся способностью составляет 10-15% от общих запасов каменных углей, что связано с более высокой интенсивностью преобразования органических вещества на средних стадиях метаморфизма. Спекающиеся угли возникают при температурах примерно от 130 до 160-180 °С при общем диапазоне температур, обусловливающих протекание метаморфизма У. и., от 70-90 °С для длиннопламенных углей до 300-350 °С для антрацитов. Наиболее высококачественные спекающиеся угли формировались в бассейнах, испытавших региональный метаморфизм при глубоком погружении угленосной толщи. При термальном и контактовом метаморфизме в связи с резким изменением температур и невысоким давлением преобразование органического вещества протекает неравномерно и качество углей отличается невыдержанностью технологических свойств. Породы угленосных формаций наряду с метаморфизмом углей испытывают катагенетические преобразования (см. ) .

 В зонах аэрации и активного действия подземных вод вблизи поверхности Земли У. и. подвергаются окислению. По своему воздействию на химический состав и физические свойства У. и. окисление имеет обратную направленность по сравнению с метаморфизмом: У. п. утрачивают прочностные свойства (до превращения их в сажистое вещество) и спекаемость; в них возрастает относительное содержание кислорода, снижается количество углерода, увеличиваются влажность и зольность, резко снижается теплота сгорания. Глубина окисления У. и. в зависимости от современного и древнего рельефа, положения зеркала грунтовых вод, характера климатических условий, вещественного состава и метаморфизма углей колеблется от 0 до 100 мпо вертикали.

  Различия в вещественном составе и степени метаморфизма обусловили большую дифференциацию технологических свойств У. и. Для установления рационального направления промышленного использования У. и. подразделяются на марки и технологические группы; в основу такого подразделения положены параметры, характеризующие поведение У. и. в процессе термического воздействия на них (см. табл.). Границей между бурыми и каменными углями принята высшая теплота сгорания рабочей массы беззольного угля, равная 5700 ккал/кг(23,86 Мдж) .

 Ведущий показатель при использовании У. и. в энергетических целях - низшая теплота сгорания - в пересчёте на рабочее топливо (Q ^п _н) колеблется в пределах ( ккал/кг) :2000-5000 (8,372-20,930 Мдж) для бурых, 4100-6900 (17,162 - 28,893 Мдж) для каменных углей и 5700-6400 (23,86-26,79 Мдж) для антрацитов. Пониженная величина этого показателя у бурых углей объясняется низкой степенью углефикации органического вещества, слабой уплотнённостью материала и, соответственно, высокой их естественной влажностью, изменяющейся в пределах 15-58%. По содержанию рабочей влаги ( W ^p) бурые угли подразделяются на технологические группы: Б1 с W ^p> 40%, Б2 с W ^p30-40% и Б3 с W ^p< 30%.

  В основу промышленной маркировки каменных углей положены показатели, характеризующие результаты их высокотемпературной сухой перегонки (коксования): выход летучих веществ, образующихся при разложении органической массы (частично неорганического материала - сульфидов, карбонатов, гидратированных минералов), и характеристика беззольного горючего остатка - кокса по спекаемости. Весовой выход летучих веществ (V ^Г) из У. и, последовательно снижается с повышением степени углефикации от 45 до 8% у каменных углей и до 8-2% у антрацитов.

  В СССР спекаемость У. и. определяется в лабораторном аппарате пластометрическим методом, предложенным в 1932 советскими учёными Л. М. Сапожниковым и Л. П. Базилевич, по толщине образующегося при нагревании пластического слоя (у) с учётом усадки ( х) ,выраженных в мм.Наибольшей спекающей способностью характеризуются каменные угли средних стадий углефикации с толщиной пластического слоя 10-35 мм(марок К и Ж). С понижением и увеличением степени метаморфизма спекаемость У. и. снижается. Угли марок Д и Т характеризуются слабоспекшимся порошкообразным нелетучим остатком. В таблице приведены величины основных показателей качества углей на различных стадиях углефикации применительно к маркам, употребляемым в СССР.

Основные показатели качества углей марочного состава

  Кроме указанных в таблице, в некоторых бассейнах выделяются промежуточные марки: газовые жирные (ГЖ), коксовые жирные (КЖ), коксовые вторые (K ₂), слабоспекающиеся (СС). Угли марок Г, ГЖ, Ж, КЖ, К и ОС подразделяются на технологические группы по спекающей способности; для указания технологической группы к буквенному обозначению марки прибавляется цифра, указывающая низшее значение толщины пластического слоя (у) в данных углях, например Г6, Г17, КЖ14 и т.п. Для углей конкретных бассейнов величины классификационных показателей (V ^Ги у) регламентируются ГОСТом. Для получения металлургического кокса используется смесь различных марок углей - шихта, основным компонентом которой являются угли с высокими спекающими свойствами.

  Подразделение У. и. на бурые, каменные и антрациты принято в большинстве стран Европы (в некоторых - с выделением дополнительно лигнитов). В основу принятой в 1956 Европейской экономической комиссией ООН Международной системы классификации каменных углей также положены выход летучих веществ (V ^Г) для углей с V ^Г> 33% - высшая теплота сгорания влажной беззольной массы (Q ^в _безз), спекающая способность и коксуемость. Тип угля обозначается кодовым трёхзначным номером, первая цифра которого указывает класс угля (по V ^Гили Q ^в _безз), вторая - группу (по спекающей способности, определённой методом Рога или индексом вспучивания в тигле), третья - подгруппу (по коксуемости, определённой методами Одибер-Арну или Грей-Кинга). В США и некоторых др. странах У. и. подразделяются на лигниты, суббитуминозные, битуминозные угли и антрациты; классификационными параметрами приняты: для лигнитов, суббитуминозных и битуминозных (с высоким V ^Г>31%) углей - теплота сгорания беззольной массы, для битуминозных с V ^Г< 31% и антрацитов - выход летучих веществ и содержание связанного углерода.

  Маркировка углей, отражая комплекс определённых технологических свойств разновидностей У. и., используется как основной критерий в практике промышленного использования углей. Для конкретных направлений потребления устанавливаются дополнительные технические требования. Резкое снижение теплового эффекта сгорания У. и. и экономических показателей их использования за счёт балласта (золы и влаги) определяет необходимость брикетирования углей с высокой естественной влажностью и предварительного обогащения высокозольных углей (см. ) .Предельная зольность У. и., направляемых на слоевое сжигание, не должна превышать 20-37%, на пылевидное сжигание - 45%.

  Для коксования используются малозольные (обогащенные) спекающиеся каменные угли, в которых лимитируется содержание серы и фосфора. Для полукоксования, газификации, получения жидкого топлива, горного воска и др. направлений потребления нормируются спекаемость, сернистость, зольность, кусковатость, термическая стойкость, содержание смол, битумов и др. показатели качества.

  III. Основные закономерности угленакопления

 Углеобразование - один из региональных геологических процессов, протекавший и возобновлявшийся при благоприятном сочетании тектонических, климатических, геоморфологических, фитоценологических и др. факторов. Крупные эпохи углеобразования приурочены к периодам медленных колебательных движений земной коры на фоне общего длительного погружения крупных областей и участков. Для углеобразования существенное значение имели возникновение в нижнем палеозое наземной растительности и её эволюция в последующей истории Земли. Наличие в осадочных толщах гумусовых углей отмечается с силура, а угленакопление промышленного значения - с девона. Получившие в среднем палеозое развитие влаголюбивые папоротникообразные растения ограничивали размещение областей угленакопления приморскими (или постепенно терявшими связь с морем) равнинами - .С последующей эволюцией растительных форм и расселением их на суше связано перемещение областей углеобразования в глубь материков; преобладающее развитие получил .

 В познание процессов углеобразования, закономерностей пространственного распределения запасов У. и. и др. проблем геологии углей большой вклад внесён русскими и советскими геологами. Первыми специалистами по геологии угольных бассейнов были Л. И. Лутугин и его ученики - В. И. Яворский, П. И. Степанов, А. А. Гапеев и др.; кроме того, большие работы были проведены М. А. Усовым, Ю. А. Жемчужниковым, И. И. Горским, Г. А. Ивановым, М. М. Пригоровским, А. К. Матвеевым, Г. Ф. Крашенинниковым и др. Развитие учения о геологии угля в зарубежных странах связано с именами немецких (Г. Потонье, К. Науман, М. и Р. Тейхмюллеры, Э. Штах и др.), английских (М. Стопе, К. Маршалл, У. Фрэнсис и др.), американских (Р. Тиссен, Д. Уайт и др.), голландских (Д. Кревелен), чешских (В. Гавлена) учёных и др.

  Анализ стратиграфического и палеогеографического распределения масс У. и. на Земле лег в основу разработанной в 1937 П. И. Степановым теории поясов и узлов углеобразования. Им установлена определённая закономерность в размещении одновозрастных угольных районов и бассейнов в виде поясов широтного или субмеридионального направления, которые были приурочены к зонам земной поверхности с палеоклиматическими и геотектоническими условиями, благоприятными для накопления угольной массы. На основании стратиграфического распределения учтенных запасов У. и. П. И. Степанов выделил два максимума углеобразования - в верхнем карбоне - перми и в палеогене - неогене, а также высказал предположение о наличии третьего - в юрско-нижнемеловое время. Последующие исследования подтвердили эти закономерности. Стратиграфическое распределение учтенных мировых геологических запасов углей по состоянию на 1970 (14 триллионов т) приведено на ( рис. 2 ). В СССР основные запасы У. и. сосредоточены в бассейнах пермского (48,5%) и юрско-мелового (39%) возрастов.

  Углеобразование является одним из региональных геологических процессов, проявившихся на территории всех континентов ( рис. 3 ). Площади непрерывного распространения угленосных формаций (см. геологическая) колеблются от нескольких до сотен тыс. км;мощности - от десятков мдо 20 км,число заключённых в них пластов угля - от единиц до нескольких сотен. Согласно современным представлениям, все основные черты угленосных формаций - их мощность, пространственная изменчивость состава и строения, взаимоотношение с вмещающими породами, количественная и качественная характеристика угленосности, метаморфизм углей, тектоника и др.- определяются характером и интенсивностью колебательных движений земной коры, в тесной взаимосвязи с историей структурного развития и палеогеографией. Так, для угленосных формаций, приуроченных к краевым прогибам, унаследованным и наложенным крупным впадинам на складчатом основании (см. ) ,характерны большая мощность формаций; зональность их тектонического строения (от сильно дислоцированных структур по границе с орогенными областями к спокойным в центральной и приплатформенной частях бассейна), многопластовость, горизонтальная и вертикальная зональность в проявлении регионального метаморфизма углей, широкий диапазон их марочного состава (от бурых до антрацитов). В СССР с этими формациями связаны бассейны, обеспечивающие сырьём коксохимическую промышленность: Донецкий, Кузнецкий, Карагандинский и Печорский.

  Крупные по масштабам процессы углеобразования приурочены к платформенным областям. В угленосных формациях, связанных с посторогенными (Челябинский и Тургайский бассейны), унаследованными и наложенными впадинами (Канско-Ачинский, Майкюбенский и Южно-Уральский бассейны) часто накапливались мощные угольные пласты. К платформенным приурочены маломощные угленосные формации с невысокой угленосностью (Подмосковный и Иркутский бассейны). Степень углефикации углей платформенных формаций невысокая, преобладают угли бурые и каменные марок Д и Г. В орогенных областях углеобразование проявилось слабо, на локальных площадях, где создались благоприятные для континентального осадконакопления условия. Из-за сложной тектоники такие месторождения имеют очень ограниченное промышленное значение

  IV. Морфология угольных пластов и условия их залегания

 Подавляющему большинству угленосных формаций свойствен пластовый характер залегания У. и. между почти параллельными напластованиями вмещающих пород на обширных площадях, при небольшой по сравнению с площадью распространения мощности. В прибрежно-морских и прибрежно-бассейновых (лагунной, дельтовой) обстановках осадконакопления, характерных для угленосных формаций, приуроченных к переходным (от орогенных к платформенным) областям, угольные пласты формировались на огромных площадях, измеряемых сотнями км ².Мощность отдельных пластов - от смдо нескольких м,при относительно высокой выдержанности морфологических черт. Свойственная платформенным областям внутриконтинентальная (озёрная, озёрно-болотная, речная) обстановка осадконакопления обусловила более ограниченное по площади распространение пластов, во многих случаях их линзовидную форму. Мощность многих угольных залежей достигает здесь на значительных площадях десятков, в единичных случаях - сотен м.В практике промышленной оценки принято разделять угольные пласты: по мощности - на весьма тонкие (до 0,5 м) ,тонкие (0,5-1,3 м) ,средней мощности (1,3-3,5 м) ,мощные (3,5-15 м) и весьма мощные (более 15 м) ;по выдержанности морфологии и качества угля - на выдержанные, относительно выдержанные и невыдержанные. На выдержанности морфологии угольных пластов, оцениваемой обычно на площадях в несколько км ²,отражается прежде всего региональное и локальное расщепление - результат прерывистых дифференцированных погружений дна бассейна, неравномерного сноса песчано-глинистого материала, колебаний уровня вод и др. Изменение мощностей пластов обусловливается также неровностями ложа торфяника и размывами как в процессе накопления, так и после захоронения торфяников и углей овражно-речной сетью или морской трансгрессией. Сохранность угольных пластов нарушается в ряде случаев процессами карстообразования в подстилающих угленосную толщу отложениях, выгоранием пластов, возникшим в результате окисления угля атмосферным воздухом, воздействием тектонических подвижек, приводящим к пережимам и раздувам, а также ассимиляцией угля изверженными породами, внедрившимися в угленосную толщу. Залегание угольных пластов также характеризуется большим разнообразием. Лишь в некоторых бассейнах и месторождениях платформенной группы угольные пласты характеризуются слабоволнистым, почти горизонтальным ненарушенным залеганием. В большей же части угленосные образования подверглись складкообразованию, сопровождавшемуся разрывными нарушениями ( рис. 4 ). В практике разведки и эксплуатации условия залегания угольных пластов оцениваются для локальных участков крупных бассейнов и месторождений с запасами угля, обеспечивающими работу шахты (углеразреза). В масштабе шахтных (карьерных) полей ведущими структурными формами являются: моноклинали - крылья пологих синеклиз и антеклиз платформ, а также крылья и замковые части крупных синклиналей и антиклиналей; ограниченные по размерам брахискладки и участки с сопряжением различных складчатых форм более мелких порядков. Сопровождающие складчатость и наложенные разрывные нарушения создают блоковый характер залегания угольных пластов с размерами обособленных блоков от несколько км ²до мелкоблочных и чешуйчатых форм. Применительно к действующим принципам геологопромышленной оценки угольные месторождения и угленосные площади по степени сложности геологического строения подразделяются с учётом выдержанности морфологии угольных пластов и качества угля, а также характера проявления тектоники на три группы. К первой группе относятся месторождения (участки) простого строения с выдержанными мощностями основных рабочих пластов и качеством углей, ненарушенным или слабонарушенным залеганием; ко второй - месторождения (участки) сложного строения с изменчивой мощностью и строением большей части угольных пластов либо с невыдержанным качеством углей, а также угленосные площади, на которых при выдержанной морфологии основных пластов залегание последних - сложно складчатое или интенсивно нарушено разрывами; третью группу составляют месторождения (участки) очень сложного строения, интенсивно нарушенные складчатостью и разрывами, мелкоблочным залеганием или сложной изменчивой морфологией угольных пластов. Приведённая группировка используется при проектировании геологоразведочных работ, подсчёте запасов углей и планировании строительства угледобывающих предприятий. См. также , полезных ископаемых.

  Лит.:Потонье Г., Происхождение каменного угля и других каустобиолитов, Л. - М. - Грозный - Новосибирск, 1934; Жемчужников Ю. А., Общая геология ископаемых углей, 2 изд., М., 1948; Крашенинников Г. Ф., Условия накопления угленосных формаций СССР, М., 1957; Матвеев А. К., Геология угольных бассейнов и месторождений СССР, М., 1960; Иванов Г. А., Угленосные формации, Л., 1967; Миронов К. В., Геологические основы разведки угольных месторождений, М., 1973; Метаморфизм углей и эпигенез вмещающих пород, М., 1975; Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР, т. 1-11, М., 1962-73; Haviena V., Geologic uhelnу'ch lo~isek, sv. 1-3, Praha, 1963-65: Francis W., Coal: its formation and composition, 2 ed., L.. 1961; Krevelen D. W. van, Coal, Arnst., 1961.

  К. В. Миронов.

Рис. 3. Распределение учтенных (по состоянию на 1970) мировых запасов углей по континентам: 1 - Европа; 2 - Азия; 3 - Северная Америка; 4 - Южная Америка; 5 - Африка; 6 - Австралия.

Рис. 2. Распределение учтённых (по состоянию на 1970) мировых запасов ископаемых углей по геологическому возрасту (по А. К. Матвееву) (в %): 1 - девон; 2 - карбон; 3 - пермь; 4 - триас; 5 - юра; 6 - мел; 7 - палеоген - неоген.

Рис. 1. Изменение рабочей влажности (W ^p), теплоты сгорания (Q ^г _б), содержания углерода (C ^r), выхода летучих веществ (V ^r) и отражательной способности витринита (R) с повышением степени углефикации углей (по И. В. Ерёмину, Э. М. Паху).

Главные угольные бассейны и месторождения.

Рис. 4. Примеры месторождений с различной сложностью тектоники: а - Итатское, Канско-Ачинский бассейн; б - Саранский участок, Карагандинский бассейн; в - Алмазно-Марьевский район, Донбасс; г - Бачатский район, Кузбасс. 1 - угольные пласты; 2 - зоны выгорания угля; 3 - разрывные нарушения; 4 - скважины.