Химия и физика горючих ископаемых

Розрізняють лімничні (озерні) і паралічні (приморські) вугільні басейни. Вугільні шари підрозділяються на автохтонні, що утворилися на місці існування  вихідного матеріалу, і алохтонні, що утворилися з принесеного вихідного матеріалу.

Пласти вугілля мають просту і складну будову. У більшості  випадків вугільні пласти складаються  з декількох вугільних пачок, розділених породними прошарками. Породи підошви пласта утворюють його ґрунт, а що перекривають -- покрівлю. Відстань по нормалі від ґрунту до покрівлі складає потужність пласта, корисна потужність пласта -- це сума потужностей вугільних пачок. Робочою потужністю пласта чи шару називають ту частину пласта, що виймають за один технологічний цикл. Мінімальна робоча потужність пласта -- це та потужність, при якій розробка пласта технологічно можлива й економічно доцільна. Ця величина залежить від гірничогеологічних умов, якості вугілля, кута падіння пласта і різна для різних басейнів. На Донбасі вона складає 0,45, для порівняння - у Кузбасі 0,85, у Караганді -- 0,6 м.

Коефіцієнт вугленосності басейну  характеризує відношення сумарної потужності вугільних пластів до загальної  потужності вугільних відкладів. НА Донбасі він дорівнює 0,6 %, у Кузбасі -- 1,6, а в Караганді на деяких ділянках доходить до 5,0 %.

У залежності від кута падіння пласти поділяють на положисті (кут падіння  до 25 ^Л), похилі (25-45^Л) і круті чи крутопадаючі (більш 45^Л).

Гірничі роботи з виїмки вугілля можуть проводитися відкритим способом і підземним. Розробка вугільних пластів у розрізах (кар'єрах) і шахтах проводиться шляхом його розпушення і виймання з наступним навантаженням і транспортуванням на поверхню. Способи розробки вугільних пластів і транспортування вугілля впливають на властивості і склад гірської маси -- крупність, кількість домішок породи, вологість і ін.

Встановлено, що нафта залягає у  всіх геологічних формаціях і  на різній глибині, іноді виходячи на земну поверхню. Усі нафтові родовища укладені в осадових порах, що утворилися у морських басейнах. Нафта і природний газ (ПГ) залягають звичайно у пористих гірських породах під великим тиском, заповнюючи пори. Тому гірські породи, здатні містити в собі нафту і газ і віддавати їх при розробці називають колекторами, найбільш характерними з яких є проникні піщані колектори нафти, газу і води, яка їх супроводжує. Колектори нафти і ПГ (піски, піщаники, вапняки), які знаходяться між погано проникними породами (глина, глинисті сланці, мергелі), утворюються так звані природні резервуари (пастки) в складках земної кори, у яких утворюють куполоподібні перекриття (купола). Скупчення нафти і ПГ у таких куполах називають покладами, а якщо кількість нафти в покладі велика чи в даній структурі гірських порід є кілька покладів, то цю структуру характеризують як нафтове, нафтогазове чи газове родовище.

Проникність колекторів є причиною переміщення (міграції) нафти і газу з місць їхнього зародження, що відіграє істотну роль у процесі  їхнього накопичування. У зв'язку з цим безпосереднього взаємозв'язку між місцями перебування покладів і місцями зародження нафти і ПГ часто не спостерігається. Бувають випадки, коли поклади нафти чи ПГ розташовуються на периферії вугільних басейнів, уздовж їхніх границь і навіть над вугільними шарами (Донбас). Тому важливе значення має проблема парагенезису (спільного зародження) вугілля і нафти. Зараз установлено, що 10-12 % промислових запасів нафти і газу зосереджено у вугленосних відкладеннях.

Нафта і ПГ залягають у надрах землі на різній глибині (1-5 км) і частіше їх виявляють на глибинах 4-5 км. Виявлення покладів нафти проводять шляхом великих розшукових робіт з використанням геологічних і геохімічних методів. Основою для організації розвідки нафти і ПГ є вивчення геологічної будови земної кори в районі пошукових робіт, виявлення перспективних геологічних структур, наявності порід, що можуть бути колекторами, і непроникних порід, що їх перекривають. Попередня розвідка ведеться за допомогою сучасних геофізичних методів -- вимірювання гравіметричних і магнітних аномалій, електрокаротажу, радіоактивності, звукопроникності й інших методів, основаних на використанні розходження фізичних властивостей різних порід.

У перспективних районах буряться спеціальні розвідувальні свердловини  з відбором кернових проб порід. За допомогою петрографічних і геохімічних методів вивчають склад і властивості порід. Геохімічні методи дозволяють знайти і кількісно визначити вміст нафти і газу в досліджуваних зразках порід, наприклад, методом газової зйомки, який полягає в доборі проб породи і підземних вод із глибини, дегазації і мікроаналізу за допомогою хроматографії. За отриманими даними виявляють границі покладів нафти і газу, а також визначають їхні запаси в надрах.

Нафта знаходиться в земній корі під тиском 10-15 МПа і більше при температурі 100-200 °С і вище. Видобуток нафти і ПГ проводиться через спеціальні свердловини, пробурені до нафто- чи газоносних горизонтів. Природний газ, а іноді і нафта, знаходяться в покладі під тиском стовпа вищележачих порід, і фонтанує через пробурену свердловину в деяких випадках з дуже великими витратами. Однак, якщо у видобутку ПГ фонтанний спосіб видобутку є основним і єдиним, то випадки фонтанування нафти зустрічаються дуже рідко. Тому найчастіше для видобування нафти з свердловини застосовують глибинно-насосний спосіб зі спеціальними плунжерними глибинними насосами чи компресорний (газліфтний) спосіб, що полягає в тому, що стиснутий газ (чи повітря), надходячи по кільцевому простору між опущеними концентрично одна в іншу трубами, аерірує нафту і створює газонафтовий стовп зниженої густини, який під тиском нафти у пласті піднімається по внутрішніх (піднімальних) трубах на поверхню. Завдяки пористості пластів-колекторів нафта переміщується по них до свердловин за рахунок перепаду тиску, однак, основна маса нафти (40-60 %) залишається адсорбованою на поверхні частинок породи і не видається на поверхню. Для підвищення рівня вилучення нафти із пластів застосовують методи впливу на пласти (закачування в пласти газів і повітря, гідравлічний розрив пласта, закачування ПАР, гідроплоскоструминна перформація, тепловий вплив на пласт тощо).

Для буріння нафтових і газових  свердловин сьогодні частіше за все  застосовується обертальний спосіб -- роторне буріння, буріння турбобурами  чи електробурами з виведенням з свердловин шламу і роздробленої породи глинистим розчином, який нагнітається в свердловину. Для стабілізації бурових розчинів і зменшення їхньої фільтрації через стінки свердловин застосовуються спеціальні речовини, у тому числі вуглелужний реагент (ВЛР), одержуваний з бурого вугілля.

Експлуатація свердловин на родовищах  природного газу аналогічна фонтанному способу нафтовидобутку. Газ з  окремих свердловин після відділення води, твердих домішок і газового конденсату направляється в промисловий газосбірний колектор і далі на газозбірний пункт. 

5. Головні родовища  горючих копалин 

Україна має значну кількість твердого палива, прогнозні запаси якого складають  близько 120 млрд. т, у тому числі розвідані -- близько 50 млрд. т. З 1990 по 1997 роки видобуток вугілля знизився майже на 100 млн. т на рік, з 164 до 65 млн. т на рік. На початок 1999 року виробничі потужності по видобутку вугілля складали 130 млн. т на рік, однак реальний потенціал галузі складає близько 100 млн. т у рік. У 2000 році в Україні видобуто 79,3, а у 2001 -- 80 млн. т вугілля.

У структурі балансових запасів  представлені всі марки від бурого до високометаморфізованих антрацитів. Питома вага марок вугілля складає (%):

буре (Б) - 6,6;

довгополум′яне (Д) - 22,4;

газове (Г) - 36,1;

газово-жирне (ГЖ) - 4,1;

жирне (Ж) - 4,7;

коксове (К) - 3,1;

піснувато-спікливе (ПС) - 3,3;

пісне (П) - 8,4;

антрацити (А) - 11,3.

На території України розвідані  також низькосірчисте солоне вугілля (10 млрд. т у Західному Донбасі  і 2 млрд. т у Північному Донбасі) і високосірчисте буре (Ново-Дмитрівське родовище), що не видобуваються.

Основні запаси вугілля розвідані  в Донецькому, Львівсько-Волинському  і Дніпровському буровугільному басейнах.

Донецький басейн розташований на території України і часково Росії (Ростовська область). Він належить до паралічних з автохтоними вугільними пластами. Довжина з заходу на схід досягає 550 км. Це один з найбільших басейнів Європи. Тут залягає вугілля від бурого і довгополум′яного на заході до антрацитів на сході. Потужність вугільних пластів змінюється від 0,4 до 2,5 м. Зольність вугілля коливається від 7 до 15 %, у рідких випадках зустрічаються вугільні пласти з зольністю менше 7 %. Переважає вугілля середньосірчисте (S^d_t= 1,5-2,5 %) і підвищеної сірчаності (S^d_t =2,5-3,5 %). Використання вугілля Донецького басейну обумовлено марочним складом і якістю. Вугілля марок Г, Ж, К, ПС і П використовуються в коксохімічній промисловості, високоякісні антрацити - в абразивній і радіоелектронній промисловості, відсіви антрациту, газове і довгополум′яне вугілля використовується як паливо на електростанціях.

Балансові запаси вугілля у Донбасі  за станом на 1 січня 1998 року складали 53,6 млрд. т (97,6 % запасів України), з яких 31,5 % - коксівне і 15,5 % антрацити. Середня глибина видобутку вугілля 665 м. На балансі діючих шахт знаходиться близько 3 млрд. т енергетичного вугілля, розвідано 24 резервних ділянки з запасами енергетичного вугілля 4,6 млрд. т для будівництва нових шахт потужністю більш 91 млн. т у рік. З урахуванням прогнозних даних у Донбасі можлива підготовка ще 100 нових полів із сумарною потужністю до 200 млн. т вугілля в рік. У структурі запасів представлені всі марки кам'яного вугілля і антрацити. Запаси коксівного вугілля складають близько 30 %. Серед вугілля Донбасу переважає високосірчисте вугілля з високим змістом мінеральних домішок, що знижує їх енергетичну і технологічну цінність.

Львівсько-Волинський басейн. Потужності шарів вугілля 0,6-1,5 м. Залягання пологе. Вугілля представлене прошарами гумітів і сапропелітів. В експлуатації знаходиться біля 20 шахт.

Вугілля Львівсько-Волинського басейну  відносять до марок Д, Г, Ж и  К. Їхня зольність коливається від 12 до 35 %, теплота згоряння 23,1-29,2 МДж/кг. Балансові запаси вугілля у Львівсько-Волинському  басейні складають близько 1 млрд. т, загальні геологічні запаси перевищують 2,1 млрд. т. Балансові запаси діючих шахт -- 260 млн. т, промислові -- близько 170 млн. т, що забезпечує при сучасному рівні видобутку вугілля 20 років існування шахт із глибиною видобутку 350-500 м. Підготовлено геологічну документацію на будівництво 3 шахт потужністю близько 4 млн. т вугілля на рік, ведуться геологорозвідувальні роботи в новому Південно-Західному районі для будівництва 7 шахт із продуктивністю 9 млн. т вугілля на рік.

Геологорозвідувальними роботами й у процесі експлуатації родовищ  установлено, що у Львівсько-Волинському  басейні поширене сапропелітове  вугілля. У вугленосній товщі  нижнього і середнього карбону нараховується  близько тридцяти пачок і лінз сапропелітів. Найбільше поширені сапропеліти в південній частині басейну, зокрема на Забугському і Міжрічинському родовищах. Частіше сапропелітами представлені верхні або нижні пачки пластів, рідше спостерігаються вони серед гумусового вугілля і вміщаючих порід. Потужність сапропелітів коливається від 0,5 до 1,0 м, досягаючи в окремих пунктах 1,5 і навіть 2,65 м. Розмір запасів сапропелітів значно менше, ніж запаси гумусового вугілля, однак вони досить великі, щоб розглядати питання про їхню селективну виїмку і використання як сировину для одержання штучного рідкого палива і хімічних продуктів.

Щодо метаморфізму сапропелітів існує  загальна думка, що ступінь вуглефікації їхня така ж, як і в гумусового вугілля, з яким вони залягають.

У Львівсько-Волинському басейні  розвідано гумусове вугілля марок від Д до К. У зв'язку з тим, що сапропеліти поширені на всій площі басейну, цілком можливо, що, як і серед гумусового вугілля, серед них є вугілля різного ступеня вуглефікації, однак закономірності зміни мікрокомпонентів сапропелітів з метаморфізмом, установлені для Донбасу, у сапропелітів Львівсько-Волинського басейну виражені слабко.

Дніпровський буровугільний басейн поєднує 27 родовищ на території 5 центральних областей України, що мають промислове значення. Глибина залягання вугільних пластів від 10 до 150 м, вугілля м'яке буре (Б1) гумітове і гуміто-ліптобіолітове з наступною характеристикою: 

Балансові запаси -- 2,24 млрд. т, у тому числі для відкритих робіт -- понад 500 млн. т. Підготовлено до експлуатації 8 родовищ сумарною потужністю 115 млн. т, з них 4 для відкритої розробки.

У межах Дніпровсько-Донецької западини відомі Сула-Удайське в Полтавській області і Ново-Дмитрівське в Харківській області родовища бурого вугілля із загальними балансовими запасами близько 900 млн. т, з яких 570 млн. т придатні для відкритої розробки. За своїми характеристиками вугілля цих родовищ аналогічне вугіллю Дніпровського буровугільного басейну. Вугільні пласти потужністю 3-4 м залягають на глибині 15-100 м.

У 40-60 роках ХХ століття у Закарпатті, Прикарпатті й у Північному Поділлі  невеликими шахтами для місцевих потреб розроблялися родовища бурого вугілля. Вугілля залягає на глибині від 5 до 60 м невеликими лінзами площею від 0,1 до 2,5 км², у яких розвідані 1-3 пласти вугілля потужністю від 0,5 до 11 м. Вугілля марок Б1-Б3. Загальні запаси бурого вугілля в цих районах складають близько 60 млн. т.

Таким чином, запаси вугілля, які розвідані  в Україні достатні для забезпечення її потреб (100-200 млн. т у рік) приблизно  на 500 років, а при впровадженні ресурсозберігаючих технологій і комплексної переробки  твердого палива - ще на більш значний термін. У зв'язку з відсутністю достатніх запасів нафти і природного газу довгі роки основним джерелом енергії і хімічної сировини для України будуть тверді горючі копалини. Визначення їхньої кількості, складу і властивостей, пошук оптимальних, з погляду економіки й екології, способів їхнього видобутку і використання є одною з основних задач господарства господарства.