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

Вугілля – один з найбільш розповсюджених видів корисних копалин. Воно виявлено на всіх континентах земної кулі. Відомо близько 3000 вугільних родовищ і басейнів.

Викопне вугілля – тверда гірська порода, що утворилася із залишків відмерлих рослин в результаті біохімічних, фізикохімічних та фізичних перетворень. Крім органічних складових, у вугіллі завжди присутні мінеральні домішки, вміст яких коливається в широких межах (від 1–2 до 50%).

Склад і властивості вугілля визначаються природою його матеріальної речовини, тобто початкового рослинного матеріалу, епохою та умовами протікання першої стадії вуглеутворення, а також метаморфізмом, тобто змінами вугільної речовини, які пов'язані з подальшою історією їх формування.

Викопне вугілля в значній своїй частині утворювалось із залишків рослинного світу минулих геологічних періодів при активній участі мікроорганізмів. Разом з цим для його утворення була необхідною не тільки наявність таких залишків, але й потрібні були певні умови, за яких ці рослинні залишки змогли б накопичуватися у великих кількостях на значних площах, зберігатися і в подальшому глибоко перетворюватися, в кінцевому підсумку переходячи у викопне вугілля, горючі сланці або беручи участь в утворенні нафтових родовищ.

Утворення вугілля відбувалось протягом багатьох геологічних періодів, під час яких неодноразово змінювалися клімат і рельєф земної поверхні, а отже, і рослинний світ. Відповідно створювалися сприятливі чи несприятливі умови для утворення вугілля.

Пласти вугілля зустрічаються в осадових породах всіх геологічних періодів, починаючи із силурійського, а залишки взагалі вуглистих речовин, мабуть, органічного походження, відомі в значно більш давніх породах докембрію.

Первинна рослинність. У результаті детального вивчення залишків деревини, кори, гілля, листя чи їх відбитків, які збереглися в пластах кам'яного вугілля, з'явилася можливість відновити первісні форми, розміри, будову рослин колишніх геологічних періодів, способи їх розмноження і навіть умови їх зростання. У найраніші геологічні періоди накопичення органічного матеріалу відбувалося за рахунок найбільш примітивних представників рослинно-тваринного світу. Саме так утворились великі маси карбонатних порід – вапняків, мергелю, доломітів, проте вважається, що в окремих випадках вони давали початок і вуглистим  утворюванням, які збереглися до наших днів. Прикладом можуть служити так звані «шунгіти», що зустрічаються серед докембрійских кристалічних сланців Карелії.

У наступні геологічні періоди відбувався розвиток більш складних організмів – багатоклітинних синьо-зелених водоростей, які стали первинним матеріалом для деяких родовищ горючих сланців. Наприклад, з таких водоростей в нижньосилурійській період утворились горючі сланці – «кукерсити» – в Естонії.

Споріднена вугіллю тверда горюча копа лина – горючий сланець – складається переважно з мінеральної складової (70–90%), а вміст органічної речовини (керогену) не перевищує 30%.

Через переважання сапропелітової компоненти в керогені сланців при їх нагріванні від 50 до 98% органічної маси виходить у вигляді летких, головним чином рідких продуктів – сланцевих масел, що дає ще більше підстав, ніж у випадку сапропелітового вугілля, називати горючі сланці «твердою нафтою».

Запаси керогену горючих сланців в земній корі більш ніж в 30 разів перевищують запаси нафти.

Деякі країни, наприклад Естонія та Ізраїль, вважають горючі сланці єдиним місцевим паливним ресурсом, а Австралія планує довести переробку своїх сланців в смолу до масштабів, які забезпечать повну незалежність країни від ввозу нафти.

Вартість продуктів, які одержують з горючого сланцю (іхтіол та інші фармацевтичні препарати, бензин, гас, мастильні та паливні масла, парафін, лаки і мастики, сирий бензол тощо), у декілька разів перевищує вартість первинної сировини.

На території України розташовані великі родовища горючих сланців (Карпатське і Болтиське) із загальними запасами більше 500 млрд. т. Їх розробка стримується головним чином через те, що не впроваджуються ефективні технології переробки сланців і розділення одержаних при цьому рідких продуктів.

Гумусо-сапропелітова природа і умови утворення вугілля Донецького басейну пов'язані з періодичним затопленням його території морем, через що в ньому налічуються до 150 вугільних пластів, які утворилися в різний час.

Менше 20% відмерлої рослинності акумулюється у вигляді торфу, середня швидкість акумуляції торфу становить 1 мм за рік, а з 1 м торфу може утворитися до 20 см кам'яного вугілля.

На початок девонського періоду водорості в своєму еволюційному розвитку зробили значний крок вперед, пристосувавшись до існування в прибережній частині суші. Ця перша напівназемна рослинність – псилофіти (без справжнього листя та коріння) – місцями давала значні зарості, з яких згодом утворилось вже справжнє вугілля (родовища поблизу р. Барзас в Кузнецькому басейні, вугілля Медвежого острова в Баренцовому морі).

Найбільш пишного розквіту наземна рослинність досягла в кам'яновугільний період (мал. 7.5), коли на зміну псилофітам приходять безквіткові (деревоподібні папороті, хвощі великих розмірів) та плаунові (каламіти, лепідодендрони, сигілярії), які розмножувались спорами. Заселяючи низинні береги прибережно-морських та континентальних водоймищ, ця рослинність стала первинним матеріалом, з якого формувались такі великі вугільні басейни, як Донецький, Кузнецький, Карагандинський, Підмосковний та багато інших в різних районах земної кулі.

У подальшому у міру еволюції рослинного світу безквіткові поступово витісняються голонасінними, які стали прообразом сучасних хвойних, – кордаїтами. Панування кордаїтів почалося в юрський і нижньокрейдовий періоди. У результаті мало місце утворення багатьох вугільних родовищ Сибіру і Далекого Сходу (Кансько-Ачинський, Іркутський, Буреїнський басейни).

У нижньокрейдовому періоді з'явилася ще більш досконала рослинність з числа покритонасінних, вже близька до сучасної. Гігантські дерева досягли 100 м висоти при діаметрі стовбурів до 15 м. Новий буйний розквіт рослинного світу спостерігався в третинному періоді.

Таким чином, за час, який минув з появи органічного життя, на Землі неодноразово виникали особливо сприятливі умови для розвитку рослинного світу. У кам'яновугільний, пермський, юрський, крейдовий та третинний періоди вони забезпечили утворення основної маси вугільних родовищ.

Кліматичні умови. Для посиленого розвитку рослинного світу необхідний насамперед сприятливий клімат, вплив якого відбивається не тільки на рості рослин, але і на будові та складі флори. Так, рослини кам'яновугільного періоду досягали великої висоти, мали товсте, м'яке, велике листя та слабку кореневу систему. Річні кільця у них були відсутні. Безперечно, що вони виростали в умовах теплого, вологого та рівномірного клімату. Приблизно такий самий клімат був в юрський період і на початку третинного.

Разом з тим значна кількість рослинного матеріалу накопичується в сучасних торф'яниках в районах помірно-холодного клімату. Це вказує на те, що і в минулі геологічні періоди приблизно у таких же самих кліматичних умовах могло відбуватися накопичення торфу – первинного матеріалу для утворення вугілля.

Рельєф поверхні. Важливим фактором для вуглеутворення є характер рельєфу поверхні, від якого залежать умови росту рослин і накопичення їх залишків. Накопичення значної кількості рослинних залишків можливе тільки в областях зниженого рельєфу, із заболоченими площами, які подібні сучасним торф'яникам. Окрім того, рівнинно-низинний рельєф, особливо в прибережно-морських умовах, сприяв існуванню рівномірного та вологого клімату, а тим самим сприяв підсиленому зростанню та загальному розквіту рослинного світу.

Автохтонне накопичення. Основна маса материнської речовини вугілля у формі рослинних залишків накопичувалась на місці виростання рослин. Такий вид накопичення називається автохтонним. Наочне уявлення про умови автохтонного накопичення дають сучасні торф'яники. Торф'яні болота утворюються в наслідок заростання наземними та водяними рослинами різних водоймищ зі стоячою чи малорухомою водою (боліт, озер, заток та лагун морів і океанів). У стоячих водах при нестачі кисню рослинний матеріал захищається від повного окислення і, крім того, в них слабко розвиваються мікроорганізми, які руйнують рослини.

Найбільш сприятливими для розвитку наземно-водяних рослин і накопичення їх залишків є низинні болота, які живляться ґрунтовими водами, що багаті на мінеральні солі. При цьому особливо велике значення для вуглеутворення мають болота – драговини, в яких рівень ґрунтових вод завжди трохи вищий торф'яного шару. У заростанні водоймищ озерно-болотною рослинністю існує закономірна послідовність. У прибережній – наймілководнішій – частині росте осока, зі збільшенням глибини переважають очерети, потім комиші, а глибше 3–4 м утворюється підводна зона з латаття та водяних лілій. На відкритій поверхні водоймищ у великій кількості розвивається так званий «планктон», який складається з вільно плаваючих мікроводоростей. Із залишків болотної трав'яної рослинності згодом і утворюється торф – осоковий, очеретяний, комишевий. Планктон же мікроводоростей при відмиранні падає на дно і, змішуючись з глинистими частинками, утворює сапропель – гнилуватий мул.

У подальшому на поверхні зарослого торф'яного болота розвивається моховиння, здатне існувати за рахунок вологи атмосферних опадів, потім з берегів починає просування трав'яниста, а за нею і деревинна рослинність (вільха, береза).

Більшість сучасних торф'яників утворюється на континентах з помірно-холодним та відносно вологим кліматом. У минулі геологічні періоди накопичення залишків рослинності відбувалося головним чином у великих приморських лагунах і затоках в умовах більш теплого та вологого морського клімату. Проте аналогічні умови, хоч і у менших масштабах, мають місце і зараз. Прикладом може бути величезний торф'яник «Згубне болото» в Північній Америці, розташований на березі Атлантичного океану. Тут первинним матеріалом для утворення торфу є деревна рослинність (кипариси, тополі, кедри), пристосована до життя в болотних умовах.

Певне уявлення про торф'яники, що утворюються в умовах жаркого клімату, дають сучасні мангрові болота морського узбережжя Індії та Цейлону, де накопичується велика кількість рослинного матеріалу та органічного мулу.

Більшість вугільних родовищ має автохтонне походження. Вугіллю автохтонного походження властиві деякі особливі ознаки, головні з яких такі:

• Наявність кореневих залишків у ґрунті вугільних пластів. Часто в глинистому ґрунті вугільних пластів спостерігаються залишки та корінці рослин (стигмарії). У донецьких шахтарів такі шари отримали спеціальну назву «кучерявчик». • Ґрунти з обвугленими пнями дерев. Пні, які стоять вертикально, іноді зустрічаються у великій кількості при розробці вугільних пластів, являючи собою мов би залишки викопного лісу.

• Бокові кореневі пагони. Деякі рослини (очерети, хвощі), піднімаючись усе вище і вище при рості торф'яника, дають додаткові кореневі пагони, які зустрічаються у вугіллі.

• Вапняні бруньки. Під цією назвою розуміють конкреції, найчастіше округлої форми, за своїм хімічним складом близькі до доломіту. У цих конкреціях нерідко знаходять мінералізовані залишки рослин, які досконало збереглися, що виключає можливість їх переносу.

• Чистота вугілля, тобто незначний вміст в ньому золи, також є однією із ознак його автохтонного утворення, тому що при переносі рослинних залишків плинними водами останні завжди несуть і піщано-глинистий матеріал, який дає підвищену зольність вугілля.

• Постійна потужність вугільних пластів на великих просторах. Дуже часто пласти кам'яного вугілля розташовані на площі в сотні й навіть тисячі квадратних кілометрів при невеликих коливаннях в їх потужності. Це можливо тільки за умови їх утворення на місці зростання рослинності, бо тільки в такому випадку можна допустити рівномірне накопичення великих мас рослинних залишків.

Алохтонне накопичення. Частина вугільних родовищ утворилась в результаті переносу та перевідкладення рослинного матеріалу плинними водами. Ріки часто переносять на великі відстані стовбури дерев та інший рослинний матеріал, який на ділянках з уповільненою течією, в заводях, широких гирлах, дельтах затримується і, осідаючи на дно, може давати значні накопичення.

Мал. 7.5. Ландшафт продуктивної епохи кам'яновугільного періоду

 

Таблиця 7.1. Найважливіші показники бурого та кам'яного вугілля

Показники	Буре вугілля	Кам'яне вугілля
Колір	Бурий, рідко чорний	Чорний
Риска	Бура	Чорна
Блиск	Матовий, іноді блискучий	Блискучий, іноді матовий
Густина	Менше	Більше
Забарвлення КОН	Жовте	Не забарвлюється
Забарвлення розбавленою НNО3	Від яскраво-жовтого до червоно-бурого	Не забарвлюється

Ознаки утворення вугільних родовищ алохтонним способом загалом протилежні ознакам їх виникнення автохтонним способом. Крім того, для вугільних пластів, які утворилися алохтонним способом, вельми характерне розщеплення на декілька пачок, які виклинюються.

Зміни рослинних залишків. Утворення торфу, бурого вугілля, сапропелітів, ліптобіолітів. На відкритому повітрі рослинність після відмирання піддається повільному окисленню або тлінню. Під час тління утворюються газоподібні продукти (СО2), вода та невелика кількість золи. При обмеженому доступі кисню рослинність повністю не розкладається і утворюється так званий перегній. Зміна ж рослинних залишків з утворенням торфу може відбуватися тільки у відносно більш глибоких частинах водоймищ без доступу кисню повітря. Тут при розкладанні залишків основна роль належить мікроорганізмам, так званим анаеробним бактеріям, здатним існувати у безповітряному середовищі. Таким чином, процес формування торфу по суті біохімічний і являє собою повільне та поступове окислення за рахунок кисню самого рослинного матеріалу. При цьому кисень прагне перейти в СО2, а водень – в СН4.

З розкладанням тканин рослин під водою завжди пов'язане утворення органічних гумінових кислот, а сам процес розкладання має загальну назву гуміфікації. Вугілля, яке утворюється з торфу, називають гумітами, чи гумусовим вугіллям. Після утворення над торф'яником мінеральної покрівлі біохімічні процеси поступово сповільнюються і починається дегідратація торфу (втрата води), його ущільнення та зменшення кількості гумінових кислот. Зміна елементного складу органічної маси зводиться в основному до зменшення процентного вмісту кисню та збільшенню частки вуглецю. У сукупності всі ці фактори і визначають поступовий перехід торфу в буре вугілля.

Буре вугілля, яке ще зберігає ясну будову деревини, називають лігнітом, який є мов би проміжним утворенням між торфом і бурим вугіллям. В особливі групи виділяються так звані ліптобіоліти та сапропеліти – вугілля, яке за первинною речовиною та умовами утворення відмінне від гумусового вугілля.

До ліптобіолітів відносять вугілля, яке складається із залишків найбільш стійких частин вищих рослин – спор, смоли, кутикули (шкірки), пробкової тканини кори. Вони можуть накопичуватися на місці повного розкладання менш стійких частин рослин, утворюючи самостійні прошарки ліптобіолітів серед бурого чи кам'яного вугілля. В інших випадках – при розмиві торф'яника – найбільш стійкі частини рослинної маси, які переносяться водою, відкладаються в знижених зонах рельєфу і можуть утворювати шар ліптобіолітів. Саме так, наприклад, утворюються скупчення спорового, або «паперового» (яке складається з обривків кутикули), вугілля.

На дні водоймищ зі стоячою та малорухомою водою, як вже було вказано, накопичуються залишки нижчих водоростей і планктон тваринних мікроорганізмів. Коли вони розкладаються, то перетворюються в безструктурну холодцеподібну масу – сапропель, чи гнилуватий мул. При цьому білки і жири, якими багаті нижчі організми, перетворюються в жирні кислоти – бітуми, тому і сам процес називають бітумінізацією. Сапропель є головним вихідним матеріалом для сапропелевого вугілля – сапропелітів – і горючих бітумінозних сланців.

Власне сапропеліти відрізняються тонкозернистою будовою, в'язкістю, раковистим зломом і складаються із скупчень мікроскопічних водоростей, які добре збереглися і зцементовані бурою основною масою. Вміст золи в них не перевищує 40%. Такі сапропеліти мають загальну назву богхедів. Вони завжди містять якусь частку домішки гумусу; в залежності від його кількості утворюються перехідні типи вугілля між сапропелевими та гумусовими, які відповідно називають напівбогхеди, кеннель-богхеди тощо. До сапропелітів відносять також горючі сланці, які звичайно вміщують більше 40% золи.

Перехід бурого вугілля в кам'яне. Утворення кам'яного вугілля відбувається під впливом високої температури і тиску. Пласти, які залягають нижче, мають більш високий ступінь метаморфізму, ніж пласти, які залягають вище, коли вони повільно занурюються в глибинні зони земної кулі.

При регіональному метаморфізмі вугільні пласти, які утворились першими, зазнають більшого тиску і впливу високої температури, ніж пласти, що залягають вище. Тому ранні за віком вугільні пласти в одному і тому ж басейні звичайно виявляються найбільш метаморфізованими.

Контактовий метаморфізм обумовлюється тепловим і хімічним впливом магматичних порід, які вкоренилися у вугленосну товщу. У результаті буре вугілля може перетворюватись в кам'яне вугілля, антрацити, а іноді в природні кокси чи навіть графіти (наприклад, таке походження їх тунгуських родовищ). Метаморфізм є причиною зміни фізичних і хімічних властивостей вугілля: зменшуються вологість і кількість летких складових частин органічної маси, закономірно зменшується кількість кисню, а вміст вуглецю зростає, в зв'язку з чим такий процес зміни вугілля називається вуглефікацією. Вугілля набуває чорного кольору, блиску і велику щільність. При подальшій вуглефікації кам'яне вугілля переходить в пісне, а потім в антрацити.

Властивості та відмітні ознаки вугілля. Найважливіші властивості та відмітні ознаки бурого та кам'яного вугілля порівнюються в табл. 7.1, а також описуються нижче.

Густина. Обумовлена головним чином ступенем вуглефікації і зольністю; для бурого вугілля вона становить 800–1250, кам'яного вугілля – 1260–1330 і антрацитів – 1350–1500 (кг/м3).

Твердість. Збільшується з підвищенням ступеня вуглефікації і визначається за шкалою Мооса в межах від 1 до 3.

Крихкість. Визначається за ступенем опору роздавлюванню, стиранню і удару. Найбільш крихким є вугілля фюзенового типу, далі йдуть – вітренове та кларенове, а найбільш стійке – дюренове вугілля.

Мал. 7.6. Елементний склад деревини, торфу і вугілля, %

Колір. Буре вугілля має бурий колір і на фарфоровій пластинці залишає буру риску, таку, як і сапропеліти. Кам'яне вугілля і антрацити мають чорний колір і залишають таку ж риску на фарфоровій пластинці.

Блиск. Характер блиску вугілля залежить від його петрографічного складу, ступеня вуглефікації і зольності. Скляний блиск спостерігається у вітрена, жирний – у кларена, шовковий – у фюзена; до матового відноситься дюренове вугілля. Антрацит, який являє собою вугілля вищого ступеня вуглефікації, має сильний блиск з металевим відтінком.

Злом. За характером поверхні, яка отримується під час розлому вугілля, відрізняють нерівні, скалкуваті, волокнисті, раковисті зломи.

Включення у вугіллі. Найчастіше у вугіллі містяться скупчення нововідкладених мінералів (кальцит, кварц, сполуки заліза), які заповнюють відкриті тріщини в них; різноманітні сторонні домішки – валуни, галька, пісок чи прошарки піщаників; скупчення глинистих мінералів, які занесені в торф'яники ще в період їх утворення; доломітові чи вапнякові бруньки, які утворилися за рахунок відкладення мінеральних солей, розчинених в морській воді.

Елементний склад деревини, торфу і вугілля різної стадії метаморфізму наведений на мал. 7.6. Особливе значення мають домішки, що адсорбовані вугіллям, наприклад германію, урану та інших рідких елементів, в зв'язку з чим все частіше зола такого вугілля, так і саме вугілля розглядаються як сировина для одержання цих елементів.

Природна класифікація викопного вугілля. В основу природної класифікації вугілля лягли склад первинного матеріалу, з якого воно утворилося, і процеси змін цього матеріалу в природних умовах, які виявляються в результаті хімічних і петрографічних досліджень. Схематично ця класифікація виглядає так:

Клас 1. Гумусове вугілля. Утворилось із торфу, в основному за рахунок частин вищих рослин, які легко розкладаються (целюлоза, деревина, лігнін): лігніти; буре вугілля; кам'яне вугілля; антрацити; вуглисті сланці.

Клас 2. Ліптобіоліти. Утворились тільки з найбільш стійких частин вищої рослинності (оболонка спор, смоли, шкірочка кутикули). Всередині класу діляться за переважанням первинного матеріалу: спорове вугілля; смоляне вугілля; кутикулове вугілля.

Клас 3. Сапропеліти. Утворились із залишків нижчих організмів (водоростей, планктону). Діляться тільки за зольністю; окрім того, в особливий підклас виділяють богхеди, в яких нижчі водорості не збереглися від розкладання і перетворені в безструктурну масу (сапроколіти): богхеди; сапроколіти; горючі сланці.