Геология и полезные ископаемые угольных месторождений

Месторождения ископаемых углей являются типичными осадочными образованиями. По тектоническим условиям различаются угольные месторождения платформенного типа, горно-складчатых сооружений и переходного типа (табл. 32).
Угольные месторождения платформенного типа. Угленосная толща (основной горно-геологический ярус угленосного массива) сложена большей частью из несцементированных пород с преобладанием песков над глинами. Почти полностью отсутствуют грубообломочные породы. Угольные пласты простого строения, реже расщеплены породными прослойками. Угленосность непостоянна и чаще всего приурочена к пониженным участкам «фундамента» угленосной толщи. Гипсометрия угольного пласта в существенной мере повторяет неровности поверхности этого «фундамента».

Угли относятся к низшим стадиям метаморфизации — землистые и плотные бурые угли. Вмещающие породы сыпучие, плывучие (в случае обводнения) или пластичные. Разделение платформенных месторождений на классы приведено в табл. 32.
Угольные месторождения горно-складчатых районов крайне разнообразны но инженерно-геологическим характеристикам. Общими для них чертами являются тектоническая нарушенность (дислодированность) и значительная мощность угленосной толщи, высокая степень метаморфизации (каменный уголь, антрациты) и окаменения угля и вмещающих пород, значительное число маломощных, но обычно хорошо выдержанных угольных пластов.
Эти месторождения разделяются на следующие основные классы:
а) месторождения внутриплатформенных краевых прогибов (например, большинство месторождений Донбасса). Сложены многокилометровой угленосной толщей, заключающей большое число маломощных, но выдержанных на больших пространствах угольных пластов, образовавшихся в прибрежно-морских условиях. Угольные пласты разделены слоями глинистых сланцев и песчаников, а иногда прослоями или пропластками известняков; распределены в толще более или менее равномерно и обладают выдержанным строением. Выдержан также характер боковых пород.
Тектоническая структура бассейна представляет сложную систему складок выдержанного простирания, нарушенных разрывными смещениями, а местами внедрениями магматических пород.
Явления регионального метаморфизма обусловили высокую степень углефикации и окаменения (литификации) углей и вмещающих пород. При наличии явлений, контактного метаморфизма наблюдается местная частичная графитизация углей;
б) угольные месторождения областей краевых прогибов и синклинориев (например, Кизеловский бассейн) сложены угленосной толщей, собранной в асимметричные складки. Наряду с крупными наблюдаются мелкие складки, существенно затрудняющие выемку угля. Значительное осложнение вызывают разрывные нарушения взбросо-надвигового характера, а также карстовые явления в подстилающих угленосную толщу известняках. Характерна изменчивость состава и строения как вмещающей толщи, так и пластов угля, связанная с неустойчивыми условиями накопления угленосной толщи в болотно-русловой обстановке. Вмещающие породы — алевролиты, аргиллиты, песчаники, глины;
в) месторождения в районах интенсивного развития магматизма характеризуются тем, что наряду с осадочными породами в угленосной толще широким развитием пользуются магматические породы (андезиты, базальты, кварцевые порфиры и т. д.). Примером являются месторождения о-ва Сахалин. Вся угленосная толща здесь собрана в складки обычно асимметричного строения и нарушена множеством разрывных нарушений. Угленосная свита содержит свыше 30 пластов угля небольшой мощности сложного строения и выдержанных по простиранию на 6—8 км. Явления магматизма сильно осложняют распространение углей различных марок и определяют непостоянство физико-механических характеристик вмещающих пород и породных прослойков. Вследствие явлений магматизма некоторые месторождения вообще не пригодны для эксплуатации.
Угольные месторождения промежуточного типа отличаются значительной мощностью угленосных отложений, составляющей многие сотни метров, большим числом угольных пластов, обладающих известной выдержанностью, дислоцированностью (хотя и неинтенсивной) и, наконец, значительной уплотненностью или сцементированностью углевмещающих пород. Все это связывает их с месторождениями горно-складчатого типа. Однако слабое проявление регионального метаморфизма углей (угли главным образом гумусовые), более частая смена пород и меньшее постоянство угольных пластов сближают их с месторождениями платформенного типа. Примером месторождений данного типа может служить Минусинский бассейн. В структурном отношении данный бассейн представляет собой огромную межгорную котловину, выполненную мощной (до 2165 м) толщей угленосных отложений и со всех сторон окруженную горными хребтами — Кузнецким Алатау и Саянами. Угленосные осадки бассейна собраны в брахискладки обычно асимметричного строения, местами усложненные более мелкой складчатостью и небольшими разрывами сплошности. Промышленная угленосность сохранилась в брахи-синклиналях, основными из которых являются Приенисейско-Абаканская, Абаканская и Алтайская мульды.
К промежуточному типу относятся также части других бассейнов, представленных в основном месторождениями платформенными или горно-складчатого типа. Таков ряд месторождений угля Тунгусского бассейна, расположенных между восточными типично платформенными и западными горно-складчатого типа месторождениями, а также месторождения северных окраинных частей Донбасса, центральных районов Кузбасса и др.
К промежуточному типу должны относиться и угольные месторождения межгорных депрессий. Для них особенно характерны резкая изменчивость геологического разреза на коротких расстояниях, частая смена гравелитов и песчаников аргиллитами и алевролитами, чередование их с угольными пластами переменной (нередко очень большой) мощности, изменчивость мощности пород между одноименными угольными пластами.
Угли — бурые, полублестящие и блестящие, более метамор-физованные, чем угли месторождений платформенного типа. Степень уплотненности (иногда сцементированность) вмещающих пород выше, чем в массивах платформенного типа, однако их прочность и стойкость в общем невысокие.
Значительные различия в прочности пород и типах углей обусловлены главным образом явлениями динамометаморфизма, а следовательно, различной интенсивностью тектонических явлений. Обычно угленосная толща собрана в простые складки, купола и мульды, в той или иной мере усложненные вторичной складчатостью и -разрывными нарушениями (сбросами, сдвигами и небольшими надвигами). В этом случае вмещающие породы отличаются невысокой прочностью и стойкостью (слабая их литифицированность). В случае более сложного тектонического строения прочность породы и зрелость углей повышаются. Примерами первых могут служить месторождения Волчановское, Богословское и Веселовское, а вторых — месторождения Челябинского бассейна.
Описанные выше основные типы и классы угольных месторождений могут быть открытыми, полуоткрытыми и закрытыми. Примером открытых являются месторождения Кузбасса. Здесь угленосная толща пермского и юрского возраста выходит на поверхность или под маломощный покров современных накоплений. К полуоткрытым следует отнести часть месторождений Донбасса, в которых угленосные отложения перекрыты маломощными отложениями. Центральная часть Донбасса является открытой. Типичные представители закрытых — месторождения Кизеловского, Челябинского, Печорского и некоторых других бассейнов.
Более дробные подразделения угольных месторождений устанавливаются по признакам, специфичным для отдельных типов и подтипов. Так, например, в условиях Кузбасса применительно к открытым разработкам необходимо различать месторождения: с крутыми, наклонными и пологопадающими мощными пластами; с пологопадающими пластами умеренной мощности в условиях спокойного рельефа. В Подмосковном бассейне важны гипсометрические условия залегания пород угленосной толщи по отношению к карбонатным породам «фундамента» и глубина залегания этой толщи.

Угли сложены органическим веществом (сложные высокомолекулярные соединения) и минеральными примесями. В элементарном составе органического вещества преобладает углерод, в подчиненных количествах присутствуют кислород, водород, азот и сера. Масса органического вещества составляет 50—97 % от массы сухого угля. В бурых углях содержание углерода достигает 65—79 %, в каменных — 78—89 %, в антрацитах — 93—95 %, а количество серы колеблется от 0,4 до 7 %. Минеральные примеси в углях представлены, главным образом, глинистыми минералами, в меньшей степени — карбонатами, сульфидами, сульфатами и солями щелочных металлов (в малозольных разновидностях –10 %, в высокозольных до 50 %).

Максимальная влажность (до 60 %) свойственна рыхлым бурым углям, а минимальная (до 4 %) — метаморфизованным каменным разновидностям.

Масса органического вещества угля определяет теплоту сгорания, т. е. количество тепла, выделяемого при полном сгорании одного килограмма угля. Увеличение зольности и влажности снижают теплоту сгорания, ухудшая качество угля.

Состав углей и его свойства определяют главные области его использования в качестве энергетического или технологического сырья. Энергетический уголь сжигается в различных топках, технологический является сырьем коксохимического производства, вырабатывающего кокс для черной и цветной металлургии, а также более 300 наименований химической продукции.

Мировые подтвержденные запасы углей в 2002 г. оценивались в 4262 млрд т, в том числе 3108 млрд т каменного угля. В РФ подтвержденные запасы угля всех типов составили 157,0, в том числе каменного угля — 49,1 млрд т.

Месторождения углей в зависимости от геотектонической обстановки угленакопления подразделяются на геосинклинальный и платформенный типы.

Для геосинклинальных областей характерны: большая мощность угленосных отложений (сотни и тысячи метров); частая смена пород различного состава; согласное залегание углей на подстилающих породах, большое количество протяженных угольных пластов с малыми и средними мощностями. Угли характеризуются хорошо выраженной вертикальной зональностью, часто от бурых до антрацитов включительно. Характерными представителями этого типа являются угли Донбасса и Кузбасса.

Платформенные отложения характеризуются малой мощностью угленосных отложений (десятки и первые сотни метров), незначительным количеством пластов преимущественно линзообразной формы, средними и большими мощностями, горизонтальной зональностью с низкой степенью углефикации. Типичный пример платформенных месторождений — Подмосковный бассейн.

Проявления углей известны в осадочных формациях различного возраста от девона до неогена включительно, но максимум своего развития (48 % мировых запасов) они получили в среднем-верхнем карбоне — перми.

В угольной геологии наименьшей таксономической единицей является месторождение — естественное скопление угленосных отложений с пластами угля, имеющими промышленное значение. Площадь угольных месторождений составляет десятки или сотни км2. Следующим таксоном является угольный бассейн — это крупная площадь (тыс., млн км2) непрерывного или прерывистого залегания угленосных отложений, связанная единством процесса углеобразования. В пределах бассейна находятся несколько месторождений, как например, в Иркутском бассейне. Высшим таксоном угленосных отложений является угленосная провинция — обширная область углеобразования, включающая ряд угленосных бассейнов и месторождений, сходных по стратиграфическому положению, условиям образования и закономерностям строения. Провинция носит географическое название с указанием возраста углей, например, карбоновая Московско-Уральская провинция.

В основу типизации угольных бассейнов положены типы угля (каменный или бурый), количество пластов, мощность пластов, способ отработки.

Иркутский угольный бассейн расположен в юго-западной части Иркутской области, вдоль северо-восточного склона Восточно-Саянского хребта, протягивается от г. Нижнеудинска до оз. Байкал (Угольная база России, 2002). Средняя ширина бассейна около 80 км, общая площадь около 50 тыс. км2.

Бассейн представляет собой предгорную впадину в палеозойских породах, выполненную континентальными юрскими угленосными отложениями, в которых выделяется продуктивная черемховская свита. Наиболее значительное месторождение бассейна — Черемховское.

Черемховское месторождение расположено по обеим сторонам Восточно-Сибирской железной дороги вблизи г. Черемхово и в 130 км к северо-западу от г. Иркутска. Общая площадь месторождения составляет 380 км2 (рис. 8.22). Месторождение разрабатывается с 1896 г. Оставшиеся общие запасы на конец двадцатого века составляли 415 млн т.

Рис. 8.22. Схематическая карта Черемховского месторождения (Угольная

база России, т. 3, 2002):

1 — граница месторождения, 2 — отработанные участки, 3 — действующие разрезы, 4 — участок Северный, 5 — участки перспективные для отработки (а — разведанные, 6 — разведуемые), 6 — участки бесперспективные

для отработки

В структурном отношении месторождение приурочено к мелкой эрозионно-тектонической впадине. Юрские отложения залегают на размытой поверхности нижнего кембрия — в юго-западной части и верхнего кембрия — в северо-восточной.

В разрезе месторождения выделяются две свиты. Заларинская свита мощностью 30 м представлена аргиллитами, залегающими на глинизированных брекчиях. Черемховская свита залегает на брекчиях с каолиновым цементом и на каолиновых и монтмориллонитовых глинах. Мощность свиты изменяется от 5 до 80 м. Состоит из песчаников (70 %), алевролитов (8,7 %), аргиллитов (9,4 %), углистых алевролитов (3,2 %) и углей (8,7 %). В составе свиты выделяются три угленосных горизонта: нижний, средний и верхний, разделенные безугольными алевролитами и песчаниками. Средний горизонт является основным промышленным и распространен повсеместно. Мощность его от 6 до 20 м в центре месторождения и до 30—40 м на Катомском участке. Средний горизонт содержит Малый и Главный пласты угля, из которых последний является основным рабочим. В разрезе местами имеются линзовидные прослойки угля мощностью 0,05—0,40 м, количество которых до 2—3. Расстояние по разрезу между пластами Главным и Малым составляет 2—3 м. Угленосные отложения и пласты угля залегают пологоволнисто (угол падения от 2 до 8°). По строению и мощности пласты невыдержанные. Центральная часть месторождения, характеризующаяся наиболее высокой угленосностью, постепенно снижающейся к периферии, почти полностью отработана.

Пласт Главный, распространенный повсеместно, включает от 8 до 12 пачек, в отдельных случаях — 20—22. При общей мощности пласта в среднем 6—8,8 м, средняя мощность пласта угля в нем составляет от 4,5 до 7,6 м. Породные прослои представлены глинами, аргиллитами, алевролитами.

Пласт Малый залегает на 1—9 м выше Главного. Он имеет линзообразный характер и простое строение. Мощность его от 0,05 до 6,3 м. Промышленного значения практически не имеет, за исключением Ново- касьяновского поля.

Угли месторождения по природе исходного материала являются гумусовыми. Распространены в основном полублестящие и тусклоблестящие (73,4 %), реже полуматовые (14,1 %) и блестящие (12,5 %) разности; структура однородная неясно-штриховатая или линзовидно- штриховатая. Изредка встречаются сапропелево-гумусовые, залегающие в пласте Главном в виде маломощных линз и прослоев.

Угли в основном каменные, по технологической группировке относятся к слабоспекающимся газовым углям марки Гб. Частично угли бурые и переходные к каменным. Зольность угля — 10—27 %, содержание влаги 14 %, серы — 0,5—8 %, выход летучих 40—53 %, удельная теплота сгорания горючей массы 30,42—33,75 МДж/кг.

Угли используются как энергетическое топливо и для получения моторного топлива. Малозольный уголь и концентраты используются заводами полукоксования. Коэффициент вскрыши меняется от 0,8 до 10 м3/т.