Черный камень

Бурый, землистый, без видимых включений. Блестящий, черного цвета, очень твердый. Матовый, бурый, до черноты. Полосчатый, плотный с чередованием блестящих и матовых поверхностей, в виде кусков почерневшей древесины.

Черный. С высокой плотностью и большой твердостью. Блестящий, полублестящий, матовый, волокнистый, черно-серого цвета.

Серовато-черный, блестящий, твердый и плотный. Блеск металлический с желтоватым оттенком. Проводит электричество.

Сложное образование, содержащее в большем или меньшем количестве почти все элементы таблицы Д. И. Менделеева. Смесь высокомолекулярных соединений. Не растворяется. Ориентировочно известна среднестатистическая структура.

Итак, уголь...

Всем известный, всем знакомый, не раз встреченный. Многие держали его в руках, читали о нем.

"Из естественных органических веществ уголь является единственным веществом, которое перерабатывают в сотнях миллионов тонн, а его молекулярная структура до сих пор неизвестна",- писал "Вестник Академии наук СССР". И это несмотря на то, что сегодня уголь изучают в десятках учреждении. Сотни специалистов заняты углем. Одни рассматривают уголь как горную породу, другие - как вещество растительного происхождения, третьи - как комплекс химических соединений.

Советский Союз добывает более 700 млн. т угля в год. К концу столетия уровень добычи поднимется до миллиарда тонн в год!

Зачем так много? Опыт показывает, что невозможно развитой стране обойтись только одним видом топлива, скажем нефтью. Чем заменить, например, металлургический кокс?

И раз уж наша страна добывает угля так много, то надо знать его свойства как можно лучше.

Геологу важно изучить происхождение месторождений, их размещение, качество угля. Горняка это не интересует. Ему важно "числом поболе", и поэтому в первую очередь необходимо знать мощность, строение и условия залегания угольного пласта, много ли метана будет выделяться в горные выработки... Химик в лаборатории далек от всего этого. Его волнует молекулярная структура угля - она до сих пор неизвестна, волнуют новые способы исследований - рентгеноструктурный и спектральный анализы, электронный, парамагнитный и ядерный магнитный резонанс.

Может быть, удастся, наконец, заглянуть внутрь "черного куска"?

Ясно, почему так много специалистов изучают уголь со всех точек зрения. Наука об угле начинается с геологии угольных месторождений. В настоящее время оценены геологические запасы угля до глубины 1800 м. Советский Союз обеспечен ими не менее чем на 1000 лет, имея в виду уровень добычи 1980 г. Но угля больше - его пласты залегают в земле до 10 тыс. м.

Разведка любого месторождения, в том числе и угольного,- дело дорогое и трудоемкое. Геологи могут довольно точно определить, как залегает угольный пласт - угол его падения и простирания, его мощность, размеры. Однако с глубиной точность предсказаний уменьшается. Может быть, в полукилометре от поверхности пласт переламывается, меняет угол падения? Или вдруг становится тоньше? А часто бывает, что появляются песчаные пропластки. Конец продуктивного пласта становится похожим на развевающийся конский хвост. Все сюрпризы надо предвидеть еще до того, как на ватмане появится план горных выработок. Горная выработка, даже не эксплуатационная, а разведочная, стоит дорого.

Правильная разведка прежде всего зависит от того, насколько близка к истине теория образования и жизни угольных месторождений. С генезиса угля и начинаются первые "узелки" в науке об угле.

Геологи сходятся в одном: уголь образуется там, где скорость опускания земной коры равна скорости накопления отмирающих растений. Участки, погружающиеся быстрее, заливаются водой. В застойных озерах и бухтах начинается гниение органического вещества. Конец процесса - гнилой ил, так называемый сапропель. На тех участках, где опускание происходит медленно, растения успевают полностью "сгореть" - кислорода для этого достаточно. Происходит тление.

И только совпадение скоростей ведет к рождению угля. Доступ кислорода к растениям затруднен сначала из-за избытка влаги, а затем преградой становится застойная вода болота. Идет процесс перегнивания. Он дает начало цепочке: перегной - торф - бурый уголь - каменный уголь - антрацит. Такова последовательность, которую претерпевает органическое вещество, опускаясь в недра и накапливая углерод. В антраците его содержится до 98 %.

Где рождается уголь? Одна школа геологов-угольщиков указывает на побережье. Здесь высокий уровень грунтовых вод и потому всегда избыток влаги, а при наступлении моря появляются болота. Словом, набег и отступание морской воды регулируют "рождаемость угля".

Тут главное возражение - "конский хвост", расщепление угольного пласта. Откуда эта прерывистость? Некоторые геологи не согласны с тем, что побережье - колыбель угля. Уголь, по их мнению, рождается всюду, где есть вертикальное движение отдельных участков земной коры, где выпадает большое количество осадков и высокий уровень грунтовых вод. Меняется скорость - снова уголь. Один пласт на другой, один - на другой. Вот и причина появления "конского хвоста"!

После геологов к делу приступают горняки.

Хорошо, разведчики не ошиблись - предсказали расщепление угольного пласта на определенной глубине. Но горнякам от этого не легче. Как разрабатывать этот "конский хвост", если мощность угольных пластов не более метра?

Раньше такого вопроса даже и не было. Шахтер сам колол уголь, сам вывозил его. Сейчас в некоторых добычных лавах нет людей. Одни механизмы - программа их действия должна меняться сообразно обстановке. Горняк становится кибернетиком?

В Донбассе уголь лучших марок вынут до глубины 1 км. Опускаться на еще более низкие горизонты? Там уже жарко: + 30 °С, а иногда + 40 °С. Нужны машины-автоматы, целые автоматические комплексы. Выгодно ли их создавать вообще, выгоден ли экономически уголь с больших глубин - еще вопрос.

И все же на глубину - хочешь, не хочешь, а продвигаться приходится.

Уголь для металлургического кокса - вот вклад, который нужно находить и постоянно разрабатывать в большом количестве!

Но как узнать, есть ли на глубине коксующийся уголь?

Ничего не значит, что близ поверхности он был. С глубиной это положение может измениться. И свойства угля в одном и том же пласте различны в зависимости от глубины.

Выходит, надо пробить разведочную выработку, взять представительную пробу и сделать анализ. Если же анализ отрицательный и уголь не пригоден для коксования, то деньги потрачены впустую.

Пройти скважину и по кусочкам угля провести пробу? Это дешевле, но кусочки в качестве пробы не годятся. Нужно представительное количество. В том и вопрос, что, держа в руках кусочки угля, еще нельзя судить о его пригодности для коксования.

По небольшому количеству угля определить его качество все же можно, но только в лаборатории. На практике новый метод пока не применяется. Так что горняки, бывает, и проходят выработки, надеясь найти хороший уголь, а находят совсем не то.

Но вот уголь добыт.

Кончились заботы геологов и горняков. Начались волнения тех, к кому везут уголь. Погрузят ли его сразу в вагоны или разместят на складе? Если в вагоны, то сколько продлится доставка? Уголь на воздухе окисляется, причем некоторые сорта достаточно быстро. Их далеко перевозить нельзя.

Следуем дальше за добытым углем, который привезли тем, кто его ждет. В основном это тепловые электростанции - они забирают большую часть поднятого "на-гора" во всей стране.

Половина угля, предназначенного на сжигание, попадает в топки электростанций в виде пыли. Есть и другой - слоевой способ сжигания: уголь насыпается на решетки. И чем равномернее ляжет слой, тем больше тепла он даст. Тут свои сложности. Ну, скажем, как добиться того, чтобы на решетки ложились куски одного размера? От этого зависит равномерность слоя. Сжечь уголь, как видите,- тоже целая история.

Ну, и наконец, самые почтенные потребители - коксохимические комбинаты. Здесь уголь обогащается, но при этом он вместе с золой теряет часть горючего вещества.

Какой же уголь дает хороший кокс? Это основная проблема науки об угле. При нагревании угля без доступа воздуха до температуры 1000 °С образуются газообразные вещества и углеродистый остаток. Он получается разным - то порошок, то легко рассыпающиеся кусочки, то монолитные куски. Во всех случаях это и есть кокс. Но в металлургию идет только тот, который представлен крепкими кусками. Именно его называют коксом. А уголь, из которого он получен, называют коксующимся. Лучше говорить об углях, поскольку кокс чаще всего получают из смеси углей - из шихты.

Определить, хороший или плохой кокс дает новая смесь, непросто. Надо нагреть без доступа воздуха 2 кг шихты в лабораторной печи и потом посмотреть, что получится, или провести полупромышленное коксование в 200-килограммовых печах или 50-килограммовых ящиках, помещенных прямо в промышленные коксовые печи. И все равно уверенным быть нельзя. Полную гарантию дает лишь производство.

Опытный специалист по коксу не возьмет для шихты уголь из незнакомой шахты. Он знает, что кокс из донбасских углей - это один кокс. Кокс другого качества получают из углей Караганды. Да что там - неодинаковы соседние шахты. И даже разные горизонты одной шахты!

Вот, например, в Прокопьевском районе Кузнецкого бассейна разрабатываются два угольных пласта. Расстояние между ними по вертикали не более 25 м. Ясно, что "родились" вместе, а кокс дают неодинаковый.

И получается: новый уголь - это неизвестно какой кокс, а установить какой, в лаборатории можно лишь приблизительно.

Коксовые угли различаются не только по месту "прописки", но и по году "рождения" в недрах. Раньше к ним относились марки, обозначаемые буквами "Ж" (жирный), "К" (коксовый) и "ОС" (отощенный спекающийся) - при коксовании смеси этих углей получался весьма прочный кокс. Но таких углей со временем становилось все меньше. Решили их мешать с углем марки "Г" (газовый), которых природа запасла в 3 раза больше, чем других. Добавили 10 % - хорошо. Добавили 20 % - тоже хорошо. Доля газовых углей в коксовой смеси на отдельных заводах достигает 35 %. Кроме того, считалось: чем крупнее кокс, тем лучше. Сейчас подходят иначе - лучше, когда он равномерный. Дело идет к тому, чтобы вовлечь в круг избранных как можно больше марок тех углей, которые сегодня годятся только для сжигания.

Под микроскопом любая горная порода представляет собой "сплав" различных минеральных компонентов. Уголь не исключение, он осадочная горная порода. В нем обнаружено несколько микрокомпонентов - витринит, фюзинит и лейптинит.

Выяснилось, что облик этой троицы зависит от физико-химических свойств угля. Например, отражение витринита изменяется пропорционально глубине погружения угля, т. е. температуре. Витринит можно считать своего рода термометром, который некогда отметил температуру и удержал ее в памяти на миллионы лет.

Температура и давление - это, в сущности, "повивальные бабки" угля. Органическое вещество уходит в недра в виде рыхлого торфа, а превращается там в каменный уголь. В глубинах происходит метаморфизация - так называется процесс, приводящий к столь чудесным (для человечества, во всяком случае) превращениям. Поэтому связь между отражением витринита и температурой - это и связь с метаморфизмом, иными словами, с качеством угля. Дошел метаморфизм до стадии газового угля - хорошо, до жирного - еще лучше, до коксового - высший класс!

Несколько десятилетий изучается молекулярная структура угля, и до сих пор она не известна. Примером бессилия в этой области может служить среднестатистическая структура. Ее можно назвать предварительным эскизом, наброском молекулярной постройки. Представляете, насколько она отличается от подробного чертежа?! Это достаточно приблизительно. А химия, как известно,- точная наука.

Почему так происходит? Да потому, что уголь - сложнейшая смесь веществ, агломерация высшего порядка. Представьте себе гниющий стебель - десятки, сотни веществ в нем разрушаются и восстанавливаются, участвуя сразу в нескольких процессах. А потом стебель погружается на глубину - там другие процессы, изобилие новых веществ.

Уголь - это смесь высокомолекулярных соединений. К пониманию этого химики пришли сравнительно недавно.

Уголь нерастворим. Химикам надо растворить твердое вещество, разложить, разделить, а потом уже изучать его. Новые методы анализа также не принесли ученым успеха. В белок эти методы помогли "проникнуть", в черный камень - пока нет. Дело, конечно, не в том, что уголь сложнее. Просто белком заняты сейчас тысячи и тысячи самых различных ученых.

Словом, драма современной углехимии в том, что уголь - наш давний знакомый незнакомец. Он исправно исполняет свои обязанности, хорошо работает, но главные возможности держит в секрете. А они нас еще по-настоящему не заинтересовали.

Расцвет угля - в будущем. Он связан с получением из угля высококалорийных газов, которые заменят природные газы в энергетике, ценного химического сырья и жидкого моторного топлива. Уже разрабатываются способы газификации угля под давлением кислородно-паровой смеси в неподвижном и кипящем слое, исследуется скоростная карбонизация с использованием источников высокой энергии - лазеров, пламенных форсунок.

Сжечь, получить кокс, переработать в химическое сырье - вот и все, что нам нужно от угля. Но ведь он способен служить и уже служит гораздо более высоким целям.

Углю обязана своим рождением палеоботаника - наука, изучающая жизнь древних (вымерших) растений по их остаткам и отпечаткам в породах за время геологической истории Земли. Последние сотни миллионов лет истории разбиты на интервалы, во время которых на нашей планете происходили серьезные перемены,- это тоже заслуга черных пластов. В недрах Земли - в ее каменной летописи - они явились закладками! Выделены периоды: пермский, триасовый, юрский и т. д.

Самое древнее угольное образование на Земле - шунгиты, их возраст превышает 2 млрд. лет. Своим рождением шунгиты обязаны водорослям, что отличает их от обычных углей. Поэтому-то шунгит плохо горит, хотя его трижды пытались использовать как топливо: во времена Петра I, Крымской войны и в 30-е гг. XX столетия. У села Шуньги в Заонежье (Карелия) возникли карьеры. Но шунгит годился только для изготовления краски.

Сегодня шунгиты заинтересовали физиков - лабораторию академика Г. Флерова. В древних образованиях физики хотят найти сверхтяжелые устойчивые элементы.

Как они там могли оказаться? В Карелии когда-то "работали" вулканы. Из недр они выносили к поверхности самые различные химические соединения. Глубинный "транспорт" встречал на пути болота - те самые, которые были когда-то колыбелью шунгитов. Болота служили своего рода ловушками. В них оседали ионы тяжелых элементов. Во всяком случае, могли оседать, считают физики. И если это так, то шунгит для них - своего рода упаковка, которую надо умело раскрыть. Вот вам другая помощь со стороны черного камня.

Два раза природа запасала впрок углерод в виде угля в больших количествах - 250-225 млн. лет назад, 155-120 млн. лет назад и запасает сейчас. Благодаря этому нам, как говорится, и тепло, и светло.

Но, с другой стороны, уголь - это "джин", которого опасно выпускать на волю. Черный дымок в атмосфере пока что грозное предупреждение. "Джин" еще только рвется на свободу: сжигая углерод, мы отбираем из воздуха кислород. Представьте, что мы поместили в топки весь уголь Земли, запасы которого выражаются астрономическими цифрами, например 4950 х 10⁹ т (это лишь до глубины 1,2 км). Кто восполнит нам кислород, изъятый из жизненного кругооборота?