Каменный уголь: как образуется и где применяется

Каменный уголь — это твёрдое горючее полезное ископаемое, которое образовалось из древних растений за очень долгое время. Он выглядит как чёрная или тёмно-серая порода и содержит много углерода. Когда уголь сгорает, химическая энергия превращается в тепло. Именно поэтому люди много веков использовали его как топливо, а затем научились применять ещё и в промышленности.

Важно понимать: уголь не появился из обычных камней и не образуется за несколько лет. Его происхождение связано с растительным веществом, которое миллионы лет менялось в недрах Земли под действием давления, температуры и химических процессов. Поэтому запасы угля относят к невозобновляемым ресурсам: человек расходует их намного быстрее, чем природа способна создать новые.

От древнего болота до угольного пласта

Чтобы понять происхождение каменного угля, представим заболоченную местность далёкого прошлого. В ней росло много растений. Когда деревья, папоротники и другие растения отмирали, их остатки попадали во влажную среду. Там было мало кислорода, поэтому растительное вещество разлагалось не полностью и постепенно накапливалось.

Первый этап — образование торфа

Из частично разложившихся растительных остатков формировался торф. Такой процесс можно наблюдать и сегодня на болотах. Однако торф — ещё не каменный уголь. Для дальнейшего превращения его должен был перекрыть слой осадков: песка, глины и других пород.

Второй этап — погружение под новые слои

По мере накопления осадков древний торф оказывался всё глубже. Давление сверху увеличивалось, из растительного материала уходила часть воды и летучих веществ, а доля углерода возрастала. Если процесс продолжался очень долго, вещество становилось более плотным и изменялось.

Третий этап — углефикация

Длительное воздействие давления и повышенной температуры — одно из главных условий углефикации. В результате растительное вещество последовательно превращалось в разные виды угля. В общей последовательности можно представить путь так: торф → бурый уголь → каменный уголь → антрацит. Реальная геологическая история каждого месторождения сложнее, но эта схема хорошо показывает общее направление изменений.

Эти превращения занимали миллионы лет. Поэтому выражение «уголь вырос из древних лесов» слишком упрощённо. Правильнее сказать, что уголь возник из растительного вещества, накопившегося в особых природных условиях и затем очень долго изменявшегося в земной коре.

Что такое угольный пласт

В недрах уголь часто залегает не отдельными кусками, а слоями — угольными пластами. Между пластами могут находиться песчаники, глины и другие горные породы. Толщина и глубина залегания пластов различаются, поэтому способы добычи тоже бывают разными.

Перед разработкой месторождения геологи изучают строение пород, глубину и мощность пластов, качество угля, количество запасов, наличие подземных вод и другие условия. Для этого используют геологические карты, разведочное бурение и специальные измерения.

Как добывают каменный уголь

Существует два основных способа добычи: открытый и подземный. Выбор зависит прежде всего от того, насколько глубоко находится уголь и как устроены окружающие породы.

• Открытый способ. Если пласт расположен сравнительно близко к поверхности, верхние слои грунта и пород снимают, а затем уголь добывают в карьере или разрезе.
• Подземный способ. Если пласт находится глубоко, строят шахты и подземные выработки. Люди и машины работают под землёй, а добытый уголь поднимают на поверхность.

После добычи уголь могут сортировать, дробить и очищать от части примесей. Его качество имеет значение: разные угли отличаются влажностью, зольностью, количеством углерода и тем, сколько энергии выделяется при сгорании.

Где человек применяет уголь

Уголь долго был одним из важнейших источников энергии для промышленности. Сегодня его роль в разных странах различается, но он по-прежнему используется в энергетике и производстве материалов.

Получение электричества и тепла

На угольной электростанции топливо сжигают, чтобы нагреть воду. Получившийся пар вращает турбину, соединённую с электрическим генератором. Генератор вырабатывает электрический ток. Значит, уголь не «превращается в электричество» напрямую: сначала его энергия становится тепловой, затем механической и только потом — электрической.

Производство стали

Особое значение имеет кокс, который получают из некоторых видов каменного угля при нагревании без обычного горения. Кокс используют в металлургии. Он помогает получать железо из железной руды в доменных печах и создаёт условия для высокой температуры и химических реакций. Поэтому связь между углём и сталью очень важна: мосты, здания, железные дороги и машины долгое время зависели не только от железной руды, но и от угольного кокса.

Промышленное сырьё

Уголь и продукты его переработки могут использоваться для получения химических веществ и в некоторых промышленных процессах. Кроме того, уголь применяют как источник тепла на отдельных предприятиях, например при производстве некоторых строительных материалов.

Почему уголь считают полезным ископаемым

Слово «полезное» не означает, что уголь полезен при любых обстоятельствах. В школьной географии полезным ископаемым называют природный ресурс из земных недр, который человек добывает и использует. Уголь подходит под это определение: он имеет практическую ценность как топливо и сырьё.

Но добыча и использование полезных ископаемых всегда требуют разумного отношения. Чтобы получить ресурс, приходится вмешиваться в природную среду. Поэтому важно учитывать не только пользу, но и возможный вред.

Как добыча и сжигание угля влияют на природу

При открытой добыче изменяется рельеф, снимаются слои почвы и горных пород. Подземные шахты тоже требуют строительства, отвода воды и безопасного обращения с породой, поднятой на поверхность. После завершения работ нарушенные территории стараются восстанавливать: выравнивать участки, возвращать слой почвы, высаживать растения. Такой комплекс работ называют рекультивацией.

При сжигании угля образуется углекислый газ. Кроме него, в зависимости от состава топлива и технологии очистки дымовых газов, могут образовываться загрязняющие вещества и твёрдые частицы. Современные электростанции используют системы очистки, но полностью убрать воздействие сжигания ископаемого топлива на окружающую среду невозможно.

Именно поэтому многие страны одновременно решают две задачи: обеспечивают людей энергией и стараются снижать загрязнение, экономить топливо, повышать эффективность электростанций и развивать другие источники энергии.

Чем каменный уголь отличается от древесного

Такое сравнение помогает избежать распространённой ошибки: древесный уголь из упаковки для мангала — не тот каменный уголь, который добывают в шахтах и разрезах.

Почему запасы угля нельзя быстро восстановить

Чтобы возникло месторождение угля, мало просто накопить опавшие листья или древесину. Нужны особые условия сохранения органического вещества, погребение осадками, подходящие давление и температура, а главное — огромное геологическое время. Человек же способен выработать пласт за десятилетия. Поэтому скорость расходования ресурса и скорость его естественного образования несопоставимы.

Отсюда появляется понятие рационального природопользования: добывать только то, что действительно нужно, уменьшать потери при транспортировке и переработке, повышать эффективность оборудования и восстанавливать территории после работ.

Как уголь связан с солнечной энергией прошлого

Древние растения росли благодаря солнечному свету. В процессе фотосинтеза они создавали органическое вещество, в котором запасалась химическая энергия. Когда часть этого растительного материала не разложилась полностью, а затем превратилась в уголь, часть энергии сохранилась в химических связях. При сжигании она высвобождается в виде тепла.

Поэтому можно сказать, что уголь хранит очень древнюю энергию, когда-то пришедшую от Солнца. Это красивое сравнение не отменяет химии процесса, а помогает понять происхождение энергии топлива.

Несколько важных фактов для доклада

• Каменный уголь связан с древним растительным веществом, а не с останками динозавров.
• Формирование угольных залежей занимает миллионы лет.
• Угольные пласты могут находиться близко к поверхности или глубоко под землёй.
• Уголь используют не только как топливо: из некоторых его видов получают кокс для металлургии.
• Запасы угля невозобновимы в масштабе человеческой жизни.
• Добыча и сжигание угля требуют мер по защите воздуха, воды, почвы и ландшафта.

Краткий план доклада

1. Что такое каменный уголь.
2. Как растительные остатки превращались в уголь.
3. Что такое угольный пласт и как добывают уголь.
4. Использование угля в энергетике.
5. Зачем уголь нужен металлургии.
6. Воздействие добычи и сжигания на природу.
7. Почему запасы угля нужно использовать разумно.

Вывод

Каменный уголь — невозобновляемое горючее полезное ископаемое, сформировавшееся из древнего растительного вещества в течение миллионов лет. Он сыграл огромную роль в развитии энергетики и промышленности и до сих пор используется для получения тепла, электричества и производства стали. Одновременно добыча и сжигание угля влияют на окружающую среду, поэтому современному человеку важно не только уметь использовать этот ресурс, но и снижать потери, загрязнение и ущерб природе.