Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

Вугленосна товща та умови її утворення. Під терміном «вугленосна товща» розуміють весь комплекс осадових порід, які вміщують вугільні пласти. Частіше за все вугленосна товща складається піщано-глинистими породами: сипкими (піски), пластичними (глини), ущільненими (пісковики, сланці), а також у тій чи іншій мірі метаморфізованими породами. Значно рідше і тільки в деяких басейнах в розрізі вугленосної товщі зустрічаються вапняки і конгломерати.

Вивчення літологічних розрізів вугленосних товщ показує, що накопичення осадків в них відбувалося не безперервно, а періодично. При цьому майже завжди вдається встановити закономірну повторюваність (ритмічність) в осадконакопиченні, яка одержала назву циклічної седиментації.

Повний цикл (ритм), якщо розглядати його в історичній послідовності знизу вгору, складають:

Глини, підстилаючі вугілля.
Вугілля.
Морські вапняки або глинисті сланці.
Піщаники континентального характеру.

Як правило, континентальні пісковики залягають на розмитій поверхні розташованих нижче вапняків або глинистих сланців, що пояснюється континентальною ерозією, яка мала місце після підняття суші та регресії (відступу) моря. Далі наступає тривалий період вивітрювання, утворення глини та розвитку торф'яників на великих болотистих просторах вздовж морського берега з подальшим утворенням вугільних пластів. Наявність же вапняку та глинистих сланців в покрівлі вугільних пластів вказує на трансгресію (наступ на сушу) моря в результаті опускання берега, котрим і закінчується цикл. Таким чином, цикл седиментації (осадконакопичення) містить в собі свиту континентальних утворень, які залягають неузгоджено на розмитій поверхні морських осадків, і відповідає циклу коливальних рухів земної кори: починається з підняття області й закінчується її опусканням під рівень моря. Фактичні розрізи вугленосних товщ, як правило, підтверджують наведену схему, причому кількість циклів осадконакопичення в деяких басейнах доходить до декількох десятків.

Коливальні рухи земної кори завжди мали дуже складний характер, бо швидкі рухи часто змінювалися уповільненими, а короткочасний період коливань – тривалим і навпаки. Складність посилювалася і тим, що дрібні цикли коливальних рухів відбувалися на фоні загального занурення чи загального підняття земної кори. Коливальні рухи на окремих площах земної кори проявлялися неоднаково, тому що в одних випадках такими площами були геосинклінальні області, а в інших – платформи. Тим самим відмінними виявились в них і умови утворення вугленосних товщ та вугільних пластів. У залежності від цього серед вугленосних відкладень виділяють такі основні типи: геосинклінальний, платформний і перехідний. Але для всіх типів басейнів характерне те, що вони змогли утворитися тільки в умовах загального опускання даної ділянки земної кори.

Теплом, отриманим від спалювання 600 млн.т вугілля, можна нагріти воду до температури 90°C в озері, що має глибину 1 м та площею сягає Азовського моря.

Геологічні закономірності розподілу вугленосності на земній кулі. Безперервний процес змінювання земної кори, викликаний впливом як глибинних процесів, так і атмосфери, гідросфери та інших факторів, зумовив істотні відмінності будови, форм і складу окремих її частин. Протягом дуже тривалого часу при певних умовах на різних етапах розвитку земної кори утворилося багато родовищ різних корисних копалин і серед них такі важливі для сучасного життя людства, як родовища горючих корисних копалин – вугілля, нафти, газу, горючих сланців, торфу.

Для утворення родовищ торфу, вугілля і горючих сланців було необхідне поєднання певних кліматичних, палеогеографічних і тектонічних умов, за яких стали можливими виникнення і розвиток органічного (переважно рослинного) світу, його територіальне розповсюдження та виростання, а також подальше відмирання, накопичення достатньо великих мас, захоронення та перетворення в корисні копалини.

Тектонічні чинники привели до виникнення басейнів, де накопичувались осадочні породи і рослинний матеріал, з якого утворилось вугілля. Згодом ці причини обумовили формування структур басейнів та їх сучасне розміщення в земній корі. Тектонічні закономірності є найважливішим фактором утворення вугільних родовищ.

Безперестанні зміни обличчя Землі призводили не тільки до утворення родовищ, але й до їх руйнування, в тому числі вугільних родовищ. Зараз в ряді випадків можна спостерігати лише частини вугленосних басейнів і родовищ, які збереглися від розмиву, вивітрювання, хімічних змін вугілля та вміщуючих порід.

Геологічна історія формування, а також руйнування родовищ твердих горючих копалин відрізняється різноманітністю складних природних процесів, які пов'язані з тривалими за часом періодами розвитку Землі. Наукові дослідження дали змогу вченим встановити ряд важливих закономірностей вугленакопичення і розміщення твердих горючих копалин.

Академік П.І. Степанов ще у 1937 р. встановив, що в осадочній оболонці земної кори починаючи з девона, коли з'явились перші великі скупчення вугілля, які становлять промисловий інтерес, виділяються три максимуми і три мінімуми вугленакопичення.

Перший максимум співпадає з верхнім карбоном і пермью. Кількість запасів вугілля, підраховане на той період для цієї частини стратиграфічного розрізу, складає 38,1% загальної кількості світового запасу вугілля у всіх горизонтах. Другий максимум вугленакопичення відноситься до відкладень юрського періоду (4% світового запасу вугілля). Третій максимум припадає на верхню частину верхньокрейдового періоду і третинний період – тут зосереджено 54,4% запасів вугілля.

На мал. 7.12 наведено схему переміщення вузлів вугленакопичення в стратиграфічній послідовності за П.І. Степановим.

Світові запаси вугілля

Загальні геологічні запаси вугілля земної кулі до глибини 1800 м оцінюються в межах 12000–23000 млрд.т. Величина запасів, за винятком екстремальних та недостатньо надійних оцінок, визначається в 14000– 16000 млрд.т. Розходження в оцінках обумовлені різними нормативами, які приймаються при розрахунках (глибина підрахунку, мінімальна потужність пластів, гранична якість вугілля тощо), неідентичністю методів прогнозування та вимог, що висуваються до достовірності запасів в різних країнах.

За офіційними національними даними загальні геологічні запаси вугілля, які містяться у вугленосних формаціях всіх геологічних систем за станом на 1980 р., оцінюються в 14311 млрд.т.

Мал. 7.12. Схема переміщення вузлів вугленакопичення в стратиграфічній послідовності за П.І. Степановим:
I – площа з переважанням карбонового вугленакопичення – 25,24% світових запасів вугілля; II – площа з переважанням пермського і юрського вугленакопичення – 20,17% світових запасів вугілля; III – площа з переважанням верхньокрейдового і третинного вугленакопичення – 53,79% світових запасів вугілля;
1 – верхньодевонський вузол (Медвежий острів) – 0,001% світових запасів вугілля;
2 – нижньокарбоновий вузол (Караганда) – 0,64% світових запасів вугілля;
3 – західноєвропейський (вестфальський) вузол – 9% світових запасів вугілля; 4 – східний північноамериканський вузол (вестфальський) – 13% світових запасів вугілля; 5 – сибірський (пермський) вузол – 11,7% світових запасів вугілля; 6 – чулимо/кансько/іркутський (юрський) вузол – 7,47% світових запасів вугілля; 7 – південнокитайський (пермь–юра) – 2% світових запасів вугілля; 8 – західний північноамериканський (верхньокрейдовий і третинний) – 52% світових запасів вугілля

За загальними геологічними запасами вугілля перші десять місць без врахування запасів басейну Алта-Амазона в Бразилії (2200 млрд.т) займають (в дужках вказані запаси, млрд.т): країни СНД (6800), США (3600), КНР (1500), Австралія (697), Канада (547), ФРН (287), ПАР (206), Велика Британія (189), Польща (174), Індія (125). В указаних країнах зосереджено 96,7% загальних геологічних запасів світу та 88% їх видобутку.

Таблиця 7.6. Загальні геологічні запаси викопного вугілля, в млн.т

Континенти	Всього	Кам'яне вугілля	Буре вугілля
Світ в цілому	14311153	9428427	4882726
Європа	1345920	1019876	326044
Азія	8109385	5932530	2176855
Африка	245900	243438	2462
Америка	4250696	2002649	2248047
Австралія, Океанія	359252	229934	129318

Головна частка уточнених загальних геологічних запасів вугілля в провідних країнах залягає на глибинах до 600 м. Проте в окремих великих басейнах, наприклад Донецькому (Україна) і Рурському (Німеччина і Бельгія), запаси вугілля до глибини 600 м практично вироблені, а ті, що залишилися, зосереджені на великих глибинах.

Із 14311 млрд.т вугілля 57% запасів зосереджені в Азії, 30% – в Північній Америці, на інші континенти припадає всього 13% (табл. 7.6).

Доступні до відпрацювання запаси вугілля на початок ХХІ століття оцінюються у 4210114 млн.т, тобто майже на 70% менше у порівнянні з уточненими геологічними запасами. У таблиці Д.3 (додаток до розділу 7) наведені дані про доступні до відпрацювання запаси вугілля у різних країнах та континентах.

Ще менші світові запаси вугілля, що видобуваються. Так, за даними Міжнародного щорічника вугільної промисловості і світові запаси вугілля, що видобуваються, становлять 982714 млн.т, у тому числі кам'яного вугілля – 518204 млн.т і бурого вугілля – 464510 млн.т. Розподіл світових запасів вугілля, які видобуваються, за окремими регіонами представлено у таблиці 7.7.

Світовий видобуток вугілля

Незважаючи на відносне зниження частки вугілля в енергоспоживанні, вугільна промисловість продовжує залишатися однією з провідних галузей світової енергетики. Вона краще за інші галузі забезпечена природними ресурсами.

Таблиця 7.7. Світові запаси вугілля, що видобуваються, млн.т

Регіони	Кам'яне вугілля	Буре вугілля	Всього
Північна Америка	119366	136863	252229
Центральна та Південна Америка	7738	14014	25752
Західна Європа	25084	66853	91937
Східна Європа	22427	9849	32276
СНГ	97363	133610	230973
Середній Схід	1710	–	1710
Африка	55171	196	55367
Азія і Океанія	189346	103124	292470
Світ в цілому	518204	464510	982714

 

 

Мал.7.13. Карта розміщення вугільних басейнів

 

Споконвіку вважалося, що там, де є нафта і газ, вугілля немає. Пояснювали це досить просто: органічна речовина, «яка породила» нафту, утворилася в морських умовах з нижчих рослин та мікроорганізмів, а вугілля – з вищих рослин на суші. «Перші ластівки», що порушили цю закономірність, з'явилися в повоєнні роки: у Донбасі (басейні континентальному) було відкрито перше газоконденсатне родовище. У 60-х роках XX ст. радянські геологи К.І. Багринцева і В.І. Єрмаков прийшли до висновку про значну роль вугленосних товщ, зокрема в Західному Сибіру, в генерації вуглеводнів.

Дійсно, вугілля в процесі метаморфізму виділяє велику кількість газів, в основному метану (при утворенні 1 т кам'яного вугілля – 200–250 м3). Залишаючи вугільний пласт, газ мігрує вугленосною товщею як у вільному стані, так і в розчинах у підземних водах. У більшості випадків, піднімаючись по порам і тріщинам, він досягає поверхні й виходить в атмосферу. Але іноді на шляху проходження газ зустрічає перешкоди, наприклад куполи, складені газонепрониклими глинистими породами, непроникні зони тектонічних порушень, соляні куполи або закарствовані вапняки. У цих випадках газ утворює скупчення, котрі й являють собою родовища природного газу.

Добре відоме і таке грізне явище, як вибухи газу в шахтах і викиди під тиском газу тисяч кубічних метрів вугілля і порід. З кожною видобутою тонною вугілля у Донбасі, Караганді, Воркуті виділяються до 20 м3 газу і більше, й, щоб знизити небезпеку, здійснюється попередня відкачка газу – дегазація родовищ. Щорічно з надр вугільних басейнів відкачуються декілька мільярдів кубометрів газу. З іншого боку, цей газ – корисна копалина і може використовуватися для спалювання в шахтних котельнях і для газопостачання населення.

Джерело: Голицын М.В. Газ и нефть из угля /Природа. – 1991. – №12.

Біля 66% вугільних ресурсів, що видобуваються, припадає на економічно розвинуті країни, у першу чергу, США, країни СНД, Велику Британію, ФРН. Серед регіонів, що ведуть у видобутку вугілля, Азія, Західна Європа, Північна Америка і країни СНД. Провідні країни (Китай, США, Росія, Польща, Індія, Австралія, ФРН, ПАР, Україна, Казахстан) разом видобувають більше 80% загальносвітового вугілля.

Слід відзначити, що у загальному світовому видобутку ка'мяне вугілля та антрацити становлять 76%, а інші 24% – буре.

Із семидесятого до дев'яностого року минулого століття спостерігалося систематичне зростання світового видобутку вугілля. За цей час видобуток збільшився з 3222 млн.т (1975 р.) до 4757,4 млн.т (1990 р.). У дев'яностих роках темпи зростання уповільнилися через скорочення видобутку у країнах СНД, ФРН, Великій Британії, Польщі, США. Дані про динаміку світового видобутку вугілля представлені в табл. 7.8.

З початку ХХІ століття відновилося зростання не тільки світового видобутку, але й споживання палива.

Прогнозними дослідженнями передбачається неухильне збільшення споживання вугілля до 2020 р. із середнім приростом у 1,5% на рік, але зі значними відхиленнями за регіонами. Зокрема, світове споживання вугілля в порівнянні з 2000 р. збільшиться на 1,7 млрд.т, тобто з 4,7 млрд.т в 2000 р. до 6,4 млрд.т в 2020 р. За несприятливого варіанту розвитку світової економіки світове споживання вугілля в 2020 р. може становити 5,5 млрд.т, а за сприятливого – 7,6 млрд.т. Згідно з прогнозами основним споживачем вугілля залишиться енергогенеруюча галузь (більше 55%), в якій буде спостерігатися значне зростання споживання, а також металургійна промисловість. В інших сферах використання вугілля (промисловій, комерційній, побутовій) зростатиме частка інших джерел енергії. Виняток становить Китай, де споживання вугілля збережеться у всіх можливих сферах його застосування.

Таблиця 7.8. Динаміка світового видобутку вугілля, млн.т товарного вугілля

Країни	1975 р.	1980 р.	1985 р.	1990 р.	1995 р.	2000 р.
Китай	470,0	620,0	847,0	1080,0	1298,0	1294,0
США	594,0	753,0	804,0	93,6	1014,1	1017,0
СРСР	645,0	653,0	648,0	696,7
Росія					263,0	269,0
Україна					83,2	84,0
Казахстан					83,3	76,0
НДР	247,0	258,0	312,0	311,0
ФРН	223,0	224,0	207,0	426,4	245,8	207,0
Польща	212,0	230,0	249,0	215,6	203,8	163,0
Австралія	89,0	127,0	207,0	243,0	277,6	323,0
Велика Британія	128,0	128,0	91,0	94,4	51,5	33,0
Індія	99,0	113,0	155,0	203,5	278,0	337,0
ПАР	70,0	115,0	173,0	174,8	201,7	225,0
ЧССР	114,0	123,0	127,0
Чехія					83,3	73,0
Інші країни	431,0	469,0	578,0	378,4	603,9	599,0
Разом	3222,0	3813,0	4398,0	4757,4	4687,2	4700,0

 

Характеристика вугільних покладів

Розташування вугільних покладів відображено на мал. 7.13.

Поклади викопного вугілля відносяться до пластових родовищ, які характеризуються заляганням вугільної речовини однорідного складу у вигляді пластів, обмежених практично паралельними площинами – ґрунтом та покрівлею.