Технология добычи, переработки и обогащения энергетического сырья (горючих сланцев) Республики Коми с использованием кернов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА МИНЕРАЛОГИИ И ГЕОЛОГИИ, ГЕОХИМИИ, ГЕОДЕЗИИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Технологическая минералогия и геммология»

на тему «Технология добычи, переработки и обогащения энергетического сырья (горючих сланцев) Республики Коми с использованием кернов»

Проверил:

доктор технических наук, профессор

В.Н.Землянский

Ухта 2006

ОГЛАВЛЕНИЕ:

1. РЕФЕРАТ

. ВВЕДЕНИЕ

. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

.1 ПАЛЕОГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПРОЯВЛЕНИЯ СЛАНЦЕНОСНЫХ ФОРМАЦИЙ

3.2 О РОЛИ БАКТЕРИЙ В ПРЕОБРАЗОВАНИИ ОВ

.3 ГЛУБИНА НАКОПЛЕНИЯ OB ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

3.4 СТАДИЙНОСТЬ СЛАНЦЕОБРАЗОВАНИЯ

4. СЛАНЦЕНОСНЫЕ ФОРМАЦИИ И ФОРМА ЗАЛЕЖЕЙ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

.1 ОСНОВНЫЕ СЛАНЦЕНОСНЫЕ ФОРМАЦИИ

.2 ФАЦИИ И РИТМЫ СЛАНЦЕНАКОПЛЕНИЯ

.3 ГЕОТЕКТОНИЧЕСКИЕ ТИПЫ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

.4 ФОРМА ЗАЛЕЖЕЙ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

.1 ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ СОСТАВ ОВ

.2 ВЫХОД СМОЛЫ

.3 ЗОЛЬНОСТЬ

.4 КОНЦЕНТРАТЫ КЕРОГЕНА

.5 ВЛАЖНОСТЬ

.6 КРЕПОСТЬ

.7 ПЛОТНОСТЬ

.8 ПОРИСТОСТЬ

.9 ПРЕДЕЛЫ ПРОЧНОСТИ

.10 ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

.11 РАДИОАКТИВНОСТЬ СЛАНЦЕВ

. ПРОМЫШЛЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ МИНЕРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

.1 СЛАНЦЕЗОЛЬНОЕ ВЯЖУЩЕЕ

.2 ЦЕМЕНТ НА БАЗЕ СЛАНЦЕВОГО ПОЛУКОКСА

.3 ПЛАВЛЕННЫЙ ЦЕМЕНТНЫЙ КЛИНКЕР

.4 МИНЕРАЛЬНАЯ ВАТА И ИЗДЕЛИЯ ИЗ НЕЁ

.5 СЛАНЦЕЗОЛЬНЫЙ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ

.6 СЛАНЦЕЗОЛЬНЫЙ ГАЗОЗОЛОСИЛИКАТ

.7 ДРЕНАЖНЫЕ СЛАНЦЕЗОЛЬНЫЕТРУБЫ

.8 СЛАНЦЕЗОЛЬНЫЙ АГЛОПОРИТ

.9 СЛАНЦЕЗОЛЬНЫЙ АГЛОПОРИТОБЕТОН

.10 МИНЕРАЛЬНЫЕ ОТХОДЫДЛЯ ИЗВЕСТКОВАНИЯ КИСЛЫХ ПОЧВ

.11 ЩЕБЕНЬ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ

7. ПЕРЕРАБОТКА ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

.1 ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

.2 МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ

.3 ТЕХНОЛОГИЯ ОБОГАЩЕНИЯ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

7.4 КОМПЛЕКСНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

. РЕГЛАМЕНТ ОБРАБОТКИ КЕРНА

.1 ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ

.2 ОПИСАЕНИЕ КЕРНА И ОТБОР ОБРАЗЦОВ

8.3 ОФОРМЛЕНИЕ И ХРАНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

. ФЛЮОРИТ - ОДИН ИЗ ГЛАВНЫХ ГАЛОГЕНИДОВ

. ЗАКДЮЧЕНИЕ

. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. РЕФЕРАТ

ТЕМА КУРСОВОЙ РАБОТЫ: Технология добычи, переработки и обогащения энергетического сырья (горючих сланцев) Республики Коми с использованием кернов.

Ключевые слова: горючие сланцы, керн, технология добычи, технология обогащения, угленосная формация, месторождение Грин-Ривер, горючие полезные ископаемые, доманиковые сланцы, технологическая схема изготовления, сланцеобразование, сланценакопление, выход смолы, ОВ, цемент, флюорит.

В данной курсовой работе использовано 4 библиографических источника; содержится 20 рисунков, 9 таблиц, 1 графическое приложение (формат А1).

ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Технологическая схема обогащения горючих сланцев.

Объем курсовой работы - 94 страницы.

2. ВЕДЕНИЕ

Среди каустобиолитов горючие сланцы занимают особое положение как по условиям образования, петрографическому и химическому составу, так и по свойственной им роли в развитии топливно-химических отраслей промышленности. Месторождения горючих сланцев известны на всех континентах нашей планеты. Прогнозные мировые запасы горючих сланцев и заключенной в них смолы во много раз превышают известные запасы нефти.

Горючие сланцы - это комплексное органо-минеральное полезное ископаемое. Промышленную ценность представляют как органическое вещество (ОВ), так и минеральная масса сланцев. На базе их может быть организовано производство значительного ассортимента топливных, химических продуктов и разнообразных материалов строительной индустрии. Горючие сланцы привлекают внимание и биологов с целью использования керогена для производства белковых препаратов, и медиков - для получения различного рода медицинских препаратов, применяемых в дерматологии. Большой интерес к горючим сланцам проявляют агрономы, поскольку уже некоторые созданные сланцехимические препараты обладают свойствами стимулирования роста растений, а зольные минеральные вещества в отдельных случаях применяются для удобрения кислых почв и повышения урожайности растений.

Зольные остатки сжигания и термической переработки сланцев являются огромным резервом дешевого сырья для производства разнообразного комплекса строительных материалов, и, прежде всего вяжущих веществ. Ценность горючих сланцев заключается еще и в том, что они нередко в значительных количествах содержат некоторые сопутствующие химические элементы - алюминий, фосфор, натрий- и др., а в промышленных концентрациях - уран, германий, молибден и др.

Добыча горючих сланцев в большинстве случаев сопровождается извлечением сопутствующих горных пород - вскрыша, межпластовые прослои промпласта и т. д., которые можно использовать в производстве извести, цемента, минеральной ваты, стекла, легких наполнителей бетона, в качестве облицовочного материала, при изготовлении щебня для строительных работ.

Обогащение горючих сланцев неизбежно влечет за собой образование хвостов - отходов горных пород. Количество таких отходов обогащения может достигать миллионов тонн в год. Полное безотходное использование всех компонентов, входящих в состав горючих сланцев, полупродуктов и отходов производства, представляет большую экономическую выгоду, так как значительно снижает стоимость добычи и переработки основного сырья, а главное, улучшает использование природных минерально-сырьевых ресурсов.

Горючим сланцам как многокомпонентному органо-минеральному полезному ископаемому, с их огромными потенциальными резервами производства энергии и химических продуктов, как бы самой природой предопределена немалая роль в обеспечении человечества прежде всего теплом.

3. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

.1 ПАЛЕОГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПРОЯВЛЕНИЯ СЛАНЦЕНОСНЫХ ФОРМАЦИЙ

Возникновение, развитие и преобразование ОВ происходило в определенных палеогеографических условиях геологических эпох. Основными факторами, влиявшими на зарождение и преобразование ОВ на всех континентах во все времена геологического летосчисления, являлись рельеф материка, климат и вода. Физико-географические условия были изменчивы как в пределах одного и того же периода, так и в различных географических районах материков и океанов. В пределах определенного отрезка времени накопление ОВ при благоприятных палеогеографических условиях тесно связано с литофацией соответствующего петрографического, палеонтологического и геохимического состава морского, лагунного или континентального образования. На накопление и преобразование ОВ во времени оказывал влияние и тектонический режим земной коры отдельных регионов. Все эти и другие факторы в общей совокупности в свою очередь влияли на распределение и концентрацию ОВ в осадке определенной фации.

Фация понимается как закономерный комплекс петрографических и геохимических особенностей отложений, выражающий палеогеографическую и геохимическую обстановку осадконакопления и диагенеза осадка.

Уже в позднем архее рельеф земной поверхности стал более контрастным, произошло увеличение площади суши, в отложениях установлены остатки организмов - бактерий и сине-зеленых водорослей, и, следовательно, жизнь возникла около 2700-2900 млн. лет назад. В протерозое происходило возрастание массы ОВ. Господствовали бактерии и водоросли. Кроме сине-зеленых появились водоросли с дифференцированным слоевищем. Учитывая важное значение палеогеографических условий образования горючих сланцев, как и многих других месторождений полезных ископаемых осадочного происхождения, ниже приводится краткая характеристика физико-географических факторов в отдельные геологические эпохи.

Кембрийский период продолжительностью 70 млн. лет в структурно-тектоническом плане земной коры характеризуется существованием платформ северной и южной групп, разделенных геосинклинальными поясами.

Атмосфера содержала повышенное количество углекислоты. Климат влажный, теплый, с проявлением засухи в ряде регионов. Температура морской воды - не ниже 20° С.

Органический мир был представлен в основном бактериями и водорослями. Земноводные споровые растения - псилофиты - произрастали на сильно обводненных побережьях. Установлено наличие в отложениях кембрия трилобитов, археоциатов, брахиопод и др. Наиболее благоприятными для образования горючих сланцев были условия северных платформ, однако и здесь они не получили широкого, развития. Углепроявление кембрийского возраста, известное в Китае, рассматривается как единственный древний представитель.

На юго-востоке Китая пачка черных углисто-кремнистых сланцев имеет мощность 25 м.

Ордовикский и силурийский периоды общей продолжительностью около 90 млн. лет характеризуются преимущественным распространением морских геосинклинальных и платформенных отложений. Обломочные фации представлены песчаниками, сланцами, конгломератами и галечниками, карбонатные фации - органогенными известняками, граптолитовая фация - граптолитовыми сланцами, кремнистыми сланцами и сланцами с трилобитами.

Органическая жизнь была сосредоточена главным образом в морских водоемах. Аккумуляция ОВ происходила в прибрежных ландшафтах.

В ордовике проявление сланценосных формаций установлено только в пределах Прибалтийского бассейна. В основании мощного известняково-доломитового комплекса ордовика залегает пакерортская толща (O1pk), содержащая диктионемовые сланцы с ОВ 15-20%.

Кероген кукерсита и диктионемовых сланцев Прибалтийского бассейна почти не содержит гумусового вещества, что свидетельствует о его сапропелевом происхождении. Из органического мира господствовала низшая флора - бактерии и водоросли. Вмещающие карбонатные породы, вероятно, органогенного образования.

Девонский период, продолжавшийся приблизительно 50-70 млн. лет, характеризуется образованием красноцветных континентальных и наземно-вулканогенных отложений, а также развитием морских обломочных и подводно-вулканических фаций. Красноцветные обломочные фации континентального типа представлены красноцветными конгломератами, гравелитами, песчаниками и глинами и подчиненно мергелями, доломитами, гипсами и каменными солями.

Органический мир характеризуется расширением ареала наземной флоры и фауны. Водная форма была представлена бактериями и водорослями, в наземной флоре в раннем девоне господствовали псилофиты. В среднем девоне стали развиваться споровые растения, а в позднем - разноспорые папоротники и голосеменные.

Со среднего девона на Сибирской и Русской платформах происходило образование горючих сланцев. В Белоруссии в бассейне Припятского прогиба образовались горючие сланцы данково-лебедянского горизонта фаменского яруса верхнего девона. В Кузнецком бассейне и Минусинской котловине горючие сланцы приурочены к основанию разреза среднедевонских отложений.

Каменноугольный период продолжительностью 55-75 млн. лет характеризуется широко развитыми морскими - платформенными и геосинклинальными - карбонатными, обломочно-карбонатными и угленосными фациями.

Продолжительные морские трансгрессии на платформах сопровождались широким развитием угленосных фаций на обширных площадях северных и южных платформ. Масштабы проявления угленакопления в карбоне огромны. А горючие сланцы, за редким исключением, образуют самостоятельные месторождения.

Горючие сланцы, образованные в каменноугольный период, обогащены гумусовым веществом.

Пермский период продолжительностью 45 млн. лет характеризуется от нижнего отдела к верхнему постепенным сокращением удельного веса морских фаций, повышением лагунных и континентальных фаций.

Четко выражена зональная биологическая дифференциация. Происходило активное заселение суши растениями, главным образом за счет поступления свободного кислорода. Значительное развитие получили угленосные и соленосные фации.

Образование горючих сланцев в отличие от интенсивного проявления угленосных фаций не получило широкого развития. На северных платформах пермские горючие сланцы встречаются очень редко (Франция). Известные сланценосные бассейны образовались в основном на площадях южных платформ (Австралия, Бразилия). На территории бывшего СССР известен Кендерлыкский угольно-сланцевый.

Горючие сланцы залегают над угольными толщами или подстилают их или отмечается чередование слоев угля и сланца.

Триасовый период продолжительностью 45 млн. лет характеризуется господством континентальных платформенных, а также лагунных фаций. Процессы угленакопления в триасе были развиты слабее, чем в позднем палеозое. Аридный климат способствовал образованию доломитов, доломитизированных известняков, гипсов, ангидритов, каменных солей и исчезновению растительного покрова суши. В связи с обмелением морей и регрессиями, охватившими континенты, сложились неблагоприятные условия для развития органического мира, а, следовательно, и горючих сланцев. Известные месторождения горючих сланцев в ФРГ Испании, Австрии - весьма ограниченных размеров, низкого качества, содержат гумусовый материал и имеют повышенный процент пирита.

Юрский период продолжительностью 58 млн. лет характерен преимущественным развитием морских и континентальных, меньше лагунных фаций, интенсивным и многообразным проявлением тектонической деятельности.

Несмотря на благоприятные палеогеографические условия в юрский период, образование горючих сланцев происходило на весьма ограниченных площадях. Отдельные месторождения горючих сланцев обнаружены в Австралии, Латинской Америке, Африке. Концентрация основной массы 0В горючих сланцев происходила на обширной территории восточной и северо-восточной частей Русской (Восточно-Европейской) платформы, где выявлены такие крупные сланценосные бассейны, как Волжский и Тимано-Печорский.

Меловой период продолжительностью 70 млн. лет характеризуется развитием морских (платформенных и геосинклинальных) фаций. Морские фации представлены мелководными песчано-глинистыми осадками и карбонатами, а континентальные - мелом, конгломератами и песчано-глинистыми осадками, угле- и сланценосными породами.

Кроме широкого проявления угленосных фаций в некоторых регионах развиты сланценосные фации мела. Месторождения горючих сланцев известны в Забайкалье, Монголии, Сирии, Иордании, Ливии, Марокко, Бразилии, Аргентине, США, Италии, Канаде, Испании и др.

Палеогеновый период продолжительностью 41 млн. лет характеризуется развитием морских, лагунных и континентальных фаций. Морские эпиконтинентальные фации, образованные в мелководных морях, представлены песчано-глинистыми и карбонатными отложениями. Лагунные фации представлены соленосными песчано-глинистыми отложениями с залежами нефти. Континентальные фации разнообразны по составу и генезису - озерно-болотные, аллювиальные, элювиальные и эоловые отложения.

Потепление климата сопровождалось развитием высших представителей флоры и фауны.

В палеогеновый и затем в неогеновый периоды на всех континентах в большей или меньшей степени происходило образование горючих сланцев. Во многих районах земного шара были образованы крупные по площади и запасам сланценосные бассейны - карпатские менилитовые сланцы, Грин-Ривер США, Польша, Румыния, Новая Зеландия и т. д. Из всех геологических периодов палеогеновый был самым интенсивным по накоплению ОВ горючих сланцев в осадочных отложениях не только по площади распространения, но и по его концентрации в отдельных районах континентов.

Неогеновый период продолжительностью около 24,5 млн. лет характеризуется господством континентальных фаций (элювиально-делювиальных, озерных, аллювиальных, пролювиальных, эоловых и пр.). Морские фации представлены эпиконтинентальными (песчано-глинистые и известняки) и геосинклинальными (терригенные отложения) фациями, лагунные в виде песчано-глинистых с каменной солью и гипсом (типично лагунные) и опресненных лагун с обильными растительными остатками.

На более раннем этапе развития отложений неогена продолжалось образование горючих сланцев, но затем, в связи с изменением климатического режима, интенсивность постепенно снижалась, вследствие чего сократились площади накопления ОВ.

Антропогеновый (четвертичный) период продолжительностью 1-2 млн. лет характеризуется образованием рыхлых осадков мощностью от десятков до нескольких тысяч метров. Морские фации по сравнению с фациями неогена имеют несколько большее развитие за счет мелководных эпиконтинентальных морей, тогда как площадь геосинклинальных фаций сократилась. Континентальные фации представлены галечниками, песками, глинами, суглинками.

Образование горючих сланцев происходило во все геологические эпохи. Палеогеографические условия всегда оказывали влияние на образование, концентрацию и распределение ОВ в различных районах земного шара. В одни геологические периоды происходило довольно интенсивное сланцеобразование, в другие - менее интенсивное или весьма незначительное. Максимумы сланценакопления приходятся на юрский и палеоген-неогеновый периоды, минимум - на триас.

.2 О РОЛИ БАКТЕРИЙ В ПРЕОБРАЗОВАНИИ ОВ

Химический состав керогена горючих сланцев зависит как от химического состава исходного ОВ, так и от степени его диагенеза в аэробных и, особенно, анаэробных условиях, В преобразовании сапропелевого вещества, в том числе водорослей, активная роль принадлежит бактериям. Для сине-зеленых, зеленых и бурых водорослей характерно высокое содержание углеводов (до 70-75%) и белков (до 35%).

Исходное ОВ горючих сланцев в шельфовой части морен, лагунах, озерах и других водоемах под влиянием многочисленных факторов в различные фазы диагенеза подвергалось последовательной многоступенчатом переработке с перестройкой структуры. Преобразование его происходило в аэробных и анаэробных условиях. В верхний зоне водного бассейна активно развивались аэробные бактериальные процессы, а в зоне, не содержащей свободного кислорода, - анаэробные. И в том и в другом случае активная роль принадлежала бактериям.

В горючих сланцах каждого месторождения в большем или меньшем количестве содержатся соединения серы. В одном случае это минеральные, в другом - органические соединения. Не исключена возможность, что образование некоторых соединений серы, особенно органической, связано с деятельностью сернистых бактерий.

В горючих сланцах, как правило, в больших или меньших количествах содержатся железосодержащие минералы - пирит и марказит. В первоначальном виде в биосфере железо, вероятно, находилось в растворенном состоянии в виде закисного соединения. В последующем совместно с накоплением ОВ закисное железо переводилось железобактериями в гидроокиси и окиси.

Некоторые исследователи различают среди бактерии пять основных разновидностей: разлагающие клетчатку, разлагающие жиры и пектиновые вещества, связывающие азот, разлагающие белки, денитрифицирующие азот. Таким образом, каждая из этих бактерий выполняла свою роль в биогенезе сапропелевого материала.

Приведенные данные свидетельствуют о многообразии бактерий, способных перерабатывать как органические вещества, так и неорганические соединения, и создавать целую гамму сложных новообразований. Как видно, накопление сине-зеленых и прочих водорослей происходило в различные геологические периоды в различной литолого-фациальной обстановке. Во многих случаях им принадлежала активная роль не только в образовании горючих сланцев, но и многих руд.

Процесс бактериальной переработки ОВ происходит многостадийно и последовательно по мере его продвижения от поверхности слоев воды бассейна до погребения, а возможно, и в более позднее время. Любое ОВ поражают бактерии. Вначале ОВ подвергается окислению, а затем разложению органических остатков. Биохимические процессы способствуют образованию кислорода, а при отсутствии циркуляции происходит его накопление и размещение.

Наличие органических остатков установлено в отложениях докембрия, возраст которых - не менее 3 млрд. лет. Докембрийские отложения бедны ископаемыми остатками организмов, но тем не менее важно, что в далекие времена, когда еще только начала формироваться земная кора, уже существовали органические вещества. В докембрийских породах Кольского полуострова и Северной Карелии содержание органического углерода колеблется от долей до десятков процентов. В битумоидах ОВ вендско-рифейских отложений юга Якутии преобладают метано-нафтеновые структуры. Наличие в породах докембрия и раннего палеозоя концентраций ОВ и урана объясняется интенсивностью накопления планктоногенного ОВ.

Необходимым условием для образования керогена горючего сланца является сохранение чисто липидного ОВ. После гибели планктона его пожирают анаэробные бактерии, в результате чего начинается биохимический процесс - окисление, разложение органических остатков в природной зоне с превращением в нерастворимый кероген.

.3 ГЛУБИНА НАКОПЛЕНИЯ OB ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

Накопление ОВ в иловой зоне водоемов связано с развитием морских, лагунных и континентальных фаций в отдельных областях или районах или небольших участках земной коры. Накопление, распределение и концентрация его в осадке зависят от многих факторов, в том числе от ранее образовавшихся тектонических структур горных пород, слагающих район, тектономагматических проявлений в процессе сланцеобразования, морфологии суши и дна водного бассейна, физико-географических условий и др.

В лагунах, дельтах и озерах континентальных фаций по аналогии с современными условиями аккумулирование исходного материала сланца и сапропелей, по-видимому, происходило в мелководных условиях на сравнительно небольших глубинах.

Жизнедеятельность органического мира гидросферы происходит на сравнительно небольших глубинах. По мере уменьшения количества свободного кислорода биохимическая деятельность ослабевает, и на глубинах 500-1000 м количество свободного кислорода практически равно нулю.

Аккумулирование исходного материала сланцев и сапропелей происходило на глубине едва ли более 300 м, часто гораздо меньше. На основании исследования вещественного состава прибалтийских сланцев и вмещающих пород, а также геотектонических условий сланценакопления можно сказать, что образование кукерситов происходило в открытом море, в условиях нормального газового режима.

В синклинальных складках, тектонических впадинах и котловинах образование многих месторождений горючих сланцев происходило на сравнительно больших глубинах. Этому способствовали во время сланценакопления колебательные движения земной коры, особенно с опусканием дна моря.

В современных условиях водоросли накапливаются в прибрежной части многих морей и океанов. Наиболее благоприятная для жизни планктона зона фотосинтеза, проникающую на глубину не более 50 м.

.4 СТАДИЙНОСТЬ СЛАНЦЕОБРАЗОВАНИЯ

Формирование горючих сланцев происходило длительно и распадалось на несколько последовательно сменяющихся микробиохимических, химических и геохимических реакций, возникавших в процессе диагенеза исходного вещества. Биохимический процесс эволюционировал от простейших к сложным химическим соединениям, от жидкой фазы к твердому веществу, каким в конечном виде является кероген. Процесс формирования комплексов углеводородных, кислородсодержащих и прочих соединений связан с определенными стадиями сланце-образовании: водорослевой, липидной, геохимической и шунгитовой.

Водорослевая стадия сланцеобразования - самая ранняя и характеризуется развитием водорослей в верхней зоне морских, озерных, дельтовых и прочих преимущественно мелководных водоемов в аэробных условиях, когда водоросли под бактериально-биохимическим влиянием преобразуются в гелевидную массу. На интенсивность биохимического процесса на данной стадии влияли палеогеографические условия, существовавшие в зоне гипергенеза поверхностных частей земной коры. В окислительной среде окислению и биохимической переработке подвергались также и другие живые организмы. Возникшие мельчайшие гелевидные частицы ОВ на данной стадии не образовывали скоплений и агрегатов. По мере возрастания количества минеральных взвесей, особенно глинистого состава, происходило постепенное передвижение всей этой массы в зону илов. В этом случае минеральные компоненты играли роль адсорбента.

На данной стадии образованные водорослевые плюски представляют собой жидкость зеленого цвета, которая быстро твердеет. В свежем состоянии плюска полностью растворяется в холодных жирных растворителях.

Липидная стадия формирования ОВ горючих сланцев является продолжением первой стадии. Фактически они тесно взаимосвязаны, и различие их заключается в том, что на первой стадии начальный процесс формирования ОВ происходит в аэробных условиях и характеризуется ходом простейших реакций, а на липидной - в анаэробных условиях, при этом полимеризация сопровождается протеканием сложных химических реакций замещения и новообразований.

ОВ, поступившее в придонную иловую зону водоема в виде гелевидной массы совместно с минеральным материалом, подвергалось диагенезу. В иловой зоне в анаэробных условиях гелевидное вещество преобразовывалось бактериями в продукт липидной природы высокой химической ненасыщенности. С течением времени уменьшается ненасыщенность и увеличиваются инертность и нерастворимость.

Геохимическая стадия характеризуется биогенно-химическим преобразованием липидного ОВ и минералообразованием в анаэробных условиях. Отложения ОВ преимущественно жирового состава аэробного образования подвергалась биосинтезу и захоронению. В этих же условиях происходило минералообразование в виде гидратных или солевых соединений железа, сульфатов, сульфидов, карбонатов, водных силикатов алюминия, карбонатов алюминия и прочих минералов. Если для образования углей необходимым условием является массовое накопление и преобразование растительного материала, то для горючих сланцев исходным веществом служил в основном биохимически преобразованный водорослево-сапропелевый материал - липиды, подвергнутые биосинтезу.

Шунгитовая стадия отвечает высшей стадии метаморфизма ОВ горючих сланцев. Под воздействием тектоно-магматических проявлений ОВ горючих сланцев превращено в углеродистый минерал типа шунгита.

В раннем протерозое, почти 1 млрд. лет назад, на территории Карелии в обстановке мелководных морских водоемов образовались песчано-глинистые породы, содержащие ОВ водорослевого происхождения. В результате магматической деятельности и тектонических воздействий осадочный комплекс пород был преобразован в кристаллические сланцы различного минералогического состава. ОВ водорослевого происхождения преобразовалось в чисто углеродистый минерал - шунгит. Углерод шунгитовых сланцев (изотоп 12С) преобладает над неорганическим углеродом (изотопом 13С) в соотношении 12С/13С = 93. Шунгит состоит из 98% углерода и 2% минеральных примесей Цвет шунгита смоляно-черный, блеск полуметаллический, плотность 1,8-1,9. Не прозрачен и не просвечивает. Летучие вещества отсутствуют. Массовая доля чистого минерала шунгита в сланцах не превышает 0,2%.

4. СЛАНЦЕНОСНЫЕ ФОРМАЦИИ И ФОРМА ЗАЛЕЖЕЙ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

.1 ОСНОВНЫЕ СЛАНЦЕНОСНЫЕ ФОРМАЦИИ

Применительно к горючим сланцам В.А.Котлуков предложил следующее определение сланценосных формаций: «Это парагенетически связанные комплексы осадочных или осадочно-вулканогенных пород, включающих горючие сланцы в таких концентрациях, которые позволяют рассматривать их как полезное ископаемое». Накопление OВ связано с формированием определенного комплекса пород в определенных палеогеографических условиях соответствующего геологического периода.

Выделение и изучение сланценосных формаций прежде всего имеет практическое значение при перспективной оценке того или иного района. В зависимости от масштабов проявления, условий залегания сланцевых толщ, качества сланцев и других факторов выделяются предпосылки промышленного освоения горючих сланцев.

Ниже приведено описание основных сланценосных формаций мира.

Сапропелевый тип. Î1-2. Кембрийская формация Оленекского бассейна Якутии. Формация сланценосной известково-глинисто-кремнистой толщи пород куонамской свиты ленского и амгинского ярусов Оленекского бассейна распространена на площади свыше 500 тыс.км2 на северо-востоке Сибирской платформы. Образование сланцев в центральной части бассейна приурочено к Суханскому прогибу, который осложнен серией впадин, разделенных валообразными поднятиями.

Сланценосная толща куонамской свиты подразделяется на нижнюю и верхнюю подсвиты. Нижняя, глинисто-известковая, содержит многочисленные и нередко мощные пласты горючих сланцев; верхняя сложена переслаивающимися слоями кремнисто-глинистых, известково-глинистых пород и горючих сланцев. Мощность продуктивной свиты 25-90 м.

Терригенный материал отсортирован, сланцы обладают тонкой горизонтальной слоистостью, сланценосная толща распространена на большой площади и пачки сланцев выдержанны. Сланцы темно-коричневого, серого, коричневого и черного цвета, тонкослоистые, расщепляются па тончайшие пластинки. Содержат примеси кремнезема, кальцита, гидролизов железа. ОВ заключено в алеврито-глинистой массе в виде неправильных линзочек или в виде участков клиновидной формы. Содержание ОВ в сланцах 15-25%,

Качественная характеристика горючих сланцев, %: влага - 1,2-4,1, зола 61-79, СО2 25-23,7, сера 0,8-2.4. Теплота сгорания сланцев 4186-10353 кДж/кг. Выход смолы 5-10%, редко больше. Элементарный состав ОВ (%): С - 70-79, Н - 8-10, N - 1.5-7,6, О - 4-15, S - 6,9.

Прогнозные запасы сланцев оцениваются в 300 млрд. т.

Сапропелевый тип. Î-S.

В Швеции известны многие месторождения горючих сланцев кембрийско-силурийского возраста морского образования. В полезной толще залегают два пласта сланцев (Нерке) мощностью по 7-9 м каждый. Сланцы добываются открытым способом, поскольку залегают неглубоко. Выход и состав смолы сланцев Швеции приводятся ниже:

Зола, % 70-73

Теплота сгорания, кДж/кг 7536-9420

Выход смолы, % 3-7,0

Элементарный состав ОВ, %: С - 70-79, Н - 8-10, О - 4-15, N - 1,5-7,6, S - 6,9.

В Швеции горючие сланцы перерабатываются с целью получения топливных продуктов, а главное, для извлечения урана и других металлов. Запасы сланцевой смолы известных месторождений Швеции (Нерке, Остерготланд, Вестерготланд, Оланд и др.) 600 млн. т.

Сапропелевый тип. O1. Ордовикская формация диктионемовых сланцев Прибалтийского бассейна. Сланцы распространены на значительной площади Эстонии, частично на территории Ленинградской, Новгородской и Вологодской областей - свыше 12 тыс.км2. В Эстонии сланцы прослеживаются в виде полосы субширотного направления длиной 250 км, шириной 15-20 км на востоке и до 80 км на западе.

Название «диоктионемовые сланцы» произошло от присутствия в аргиллитах, обогащенных на 10-20% ОВ, остатков дендроидей - Dictyonema. Накопление сланцев происходило в эпиконтинентальном заливообразном бассейне в самом начале раннего ордовика.

Сланец от темно-коричневого до черного цвета, слоистый. Плотность 1,5-1,9. Теплота сгорания 4280-5800 кДж/кг. Выход смолы на сланец 2-4, на ОВ 18-20%. Элементарный состав ОВ (%) С - 67-76,0. Н - 7,4-7,6, 0 - 12-18.5, N - 1,9-3,6, S - 2,6. Повышенное содержание азота в керогене свидетельствует о животном происхождении его материнского исходного вещества.

В диктионемовом сланце содержатся Fe2O3, P2О5, V2O5, а также сульфаты кальция и магния. Установлено присутствие редких и рассеянных элементов в повышенных количествах.

Запасы сланцев свыше 600 млрд.т.

Сапропелевый тип. О2. Ордовикская карбонатно-кукерситовая формация Прибалтийского бассейна. Формация образована в платформенных условиях. Расположена она на южном склоне Балтийского щита. Пологое моноклинальное погружение осадочных пород кукерского горизонта среднего ордовика на юг и юго-восток в основном отвечает погружению поверхности ниже расположенного кристаллического фундамента.

В пределах Прибалтийского бассейна известно несколько месторождений горючих сланцев, но наиболее разведанными и изученными являются Эстонское на западе и Ленинградское на востоке. Площадь распространения сланцевой толщи - около 100 тыс. км2.

ОВ - сапропелевого состава. Для сланценосной толщи Прибалтийского бассейна характерна частая смена ритмов в сланценакоплении. Горючие сланцы Прибалтийского бассейна богаты ОВ (22-52%). Выход смолы на сланец 13-40%. Теплота сгорания сланцев 9200-19200 кДж/кг. Выход летучих веществ 27-55%. Элементарный состав ОВ (%): С - 74-77,8, Н - 9,3-9,9, О - 9-10, N - 0,3-0,4, S - 1,6-1,9, Сl - 0,60-0,90. Выход смолы на кероген 30-68, реже выше 70%. Теплота сгорания керогена 37260 кДж/кг. Смола содержит свыше 20% фенолов.

Добыча горючих сланцев бассейна организована шахтным и открытии (разрезы) способами. Сорт сланца 0-25 мм (мелкозернистый сланец) используется для энергетических целей, сорт 25-125 (технологический сланец) поступает в газогенераторные и камерные печи, а также на установку УТТ (с твердым теплоносителем), а сорт крупностью более 125 мм подвергается дополнительному дроблению. На рис.1 приводится принципиальная схема комплексного энерготехнологического использования горючих сланцев.

Запасы сланцев с учетом забалансовых 24 млрд.т.

Рис.1. Схема комплексного энерготехнологического использования горючих сланцев.

Гумусово-сапропелевый тип. D3. Формация доманиковых сланценосных отложений европейской части России. Формация распространена на обширной площади северо-востока европейской части России - от Тимана до Урала. На накопление осадочного комплекса пород и условия их залегания существенное влияние оказали крупные структурные элементы, возникшие в варисскую эпоху тектогенеза складчатая область Тимана, Печорская синеклиза, геосинклинальная область Урала и Предуральский краевой прогиб (рис.2). В различных районах доманиковые отложения имеют довольно сложное строение: в Ухтинском районе наблюдается переслаивание черных и серых битуминозных окремненных известняков, горючих сланцев, мергелей и кремней с прослоями глин, в Ижевском районе - переслаивание битуминозных глин с прослоями мергеля, глин, битуминозных аргиллитов, горючих сланцев и черных кремнистых пород, на Среднем Тимане распространены аргиллиты, песчаники, глины и т. д.

Доманиковые отложения распространены на площади в сотни тысяч квадратных километров. Образование доманиковых отложений происходило в морском мелководном бассейне. Планктон был богат гониатитовой и пелециподовой фауной. Содержатся остатки лингул, гониатитов, птеропод, брахиопод, остракод, цефалопод.

Рис.2. Схематическая геологическая карта выходов доманиковой свиты в Южном Приуралье. 1 - выход доманиковых отложений; 2 - дизъюнктивные нарушения; 3 - месторождения горючих сланцев (цифры в кружках): 1 - Лемезинское, 2 - Ашанское. 3 - Зилимское; 4 - проявление сланценосности в бассейне р.Зиган.

Мощность сланцевой толщи непостоянна (10-75 м). Количество пластов горючего сланца в разрезе сланцевой толщи также непостоянно даже в пределах одного и того же района. Изменчиво и качество сланцев. В доманиковом горизонте Ухтинского района выделил 248 прослоев пород, в том числе 163 слоя и прослоя горючих сланцев (табл.1):

Таблица 1. Характеристика пород доманикового горизонта Ухтинского района.

Мощность пластов и слоев сланцев 0,1-2,2 м. Каждый пласт нередко состоит из серии маломощных слоев, разделенных прослоями пород. Сланцы листоватые, тонко- и микрослоистые, плотные. ОВ неоднородно по составу и по цвету - от черного до темно-бурого и желтого, реже красно-бурого, встречается в виде сгустков, линзовидных скоплений и тонких прожилков, или окаймляет обломки фауны, породы, или пронизывает породу. Присутствуют обломки кларена и касьянита, обрывки кутикулы. Плотность сланца 1,47-2,28. Содержание ОВ 10-30%. Теплота сгорания сланцев 4000-14600 кДж/кг, выход смолы на сланец 5-15, реже 30%. Сланцы от мало- до высокосернистых. Элементарный состав ОВ (%): С - 63-81, Н - 7-10, S - 2-6.

Горючие сланцы распространены на обширной площади. По перспективной оценке суммарные вероятные и возможные запасы сланца составляют 15,5 млрд.т, а по некоторым данным - 400 млрд. т.

Сапропелевый тип. D3. Формация горючих сланцев Припятской впадины. Формации данково-лебедянского горизонта фаменского яруса Припятской впадины распространена на значительной площади Белоруссии. Накопление сланценосной толщи приурочено к западному окончанию Припятского прогиба и происходило в лагунных и лагунно-морских условиях. Внутри прогиба выделяются несколько депрессий - Шатилковская, Туровская, Ельская и др. Развитие Припятского прогиба и отдельных его структур было сложным и длительным.

Туровское месторождение представлено одним пластом сланца простого строения мощностью 0,13-3, в среднем 1,65 м. В верхней части разреза сланцы постепенно переходят в сапропелевые мергели. Падение пласта пологое (1-2°). Качественная характеристика (%): зола 62-82, массовая доля серы 1,5-4,0. Выход смолы 6-14, в среднем 8%. Теплота сгорания 4180-9100 кДж/кг. Запасы сланцев 5124 млн.т.

Запасы сланцев по бассейну 11 млрд. т.

Гумусово-битуминозный тип. D3-С1. Формация черных сланцев Онтарио США, Канады. Формация распространена в Северной Америке на территории США и Канады. В США, в восточной и центральной части страны, сланцы формации занимают площадь более 650 тыс. км2.

Отличительная особенность сланцев формации - черный цвет. Массовая доля ОВ не постоянна (5-25%), в соответствии с этим значительно изменяются теплота сгорания (4000-8300 кДж/кг) и процент выхода смолы па сланец (4-10%).

В сланцах обнаружено присутствие урана, что увеличивает к ним интерес промышленных организаций.

Запасы черных сланцев США оцениваются в триллионы тонн.

Сапропелево-гумусовый тип. D3-P1. Формация угольно-сланцевая Кендерлыкского бассейна Казахстана. Формация приурочена к крупному Кендерлыкскому грабену Зайсанской впадины, возникшему в позднем карбоне, когда вначале происходило накопление континентальных угленосных отложений - аканскайская свита, а затем в лагунах в солоноватоводной среде образовались сланценосные отложения - кендерлыкская (С3) и караунгурская (P1) свиты. В конце ранней перми лагунный тип сменился континентальным (сайканская свита).

Состав ОВ горючих сланцев в разрезе продуктивной толщи неоднороден. Если сланцы кендерлыкской свиты преимущественно сапропелево-гумусового состава, то сланцы караунгурской свиты представляют собой смесь гумусово-сапропелевой массы с минеральной составной частью. Кероген содержит ксилофюзен, витрен, споры, кутикулы.

Смола кендерлыкских сланцев малосернистая. Выход смолы полукоксования на сухой сланец составил: по пласту «Калын-Кара» - 9,4, «Лучший» - 18,2%. Пиролиз смолы показал выход бензиновой фракции 25, дизельной - 36, лигроиновой - 10%.

Запасы сланцев по прогнозной оценке 6020 млн.

Сапропелево-гумусовый тип. Р2. Формация Ирати Бразилии. Формация представлена сланценосными отложениями аргиллитовой фации. Пермские отложения общей мощностью 500-700 м объединяются в серию Пасса-Дайс, в состав которой входит и сланцевая формация Ирати.

В штате Рио-Гранде-до-Сул сланценосная толща содержит два пласта горючих сланцев. Мощность верхнего пласта 9 м с постоянным уменьшением к югу и востоку, нижнего - 4,5 м. К югу также наблюдается уменьшение мощности. Так, в районе Сан-Матеус-до-Сул мощность нижнего пласта 3,21, верхнего - 6,5. Выход смолы на сланец верхнего пласта 6,4, нижнего - 9,1 %. Массовая доля ОВ 20-30%, Сланцы черного цвета дают выход смолы 4%, темно-коричневые - 10-12%. Теплота сгорания сланцев 6280-8370 кДж/кг. Выход летучих 18-31%.

Горючие сланцы формации Ирати распространены на огромной площади. По прогнозным запасам сланцев Бразилия занимает второе место в мире.

Запасы сланцевой смолы оцениваются в 1200 млрд. т.

Сапропелево-гумусовый тип. I1. Формация горючих сланцев лейаса западноевропейских стран. Формация занимает обширные области в странах Западной Европы. Сланценосные толщи лейаса в виде полос простираются на сотни километров в Англии, Франции, ФРГ, ГДР и других странах. Проявление сланценосности формации установлено и на территории Испании и Португалии.

Образование горючих сланцев лейаса в большинстве случаев происходило в морских условиях. ОВ сапропелевое или гумусово-сапропелевое. В сланцах нередко встречаются форменные углистые макрокомпоненты типа витринита, экзинита и фюзинита. Содержание ОВ и 10-20%. Теплота сгорания невысокая - 4186-8373 кДж/кг. Выход смолы 3-15%.

Прогнозных обобщающих данных по запасам сланцев Западной Европы нет.

Сапропелевый, сапропелево-гумусовый тип. I3. Формация верхнеюрских сланценосных отложений Волжского бассейна. Формация широко распространена в восточной части Русской платформы. Эти отложения в виде широкой прерывистой полосы протягиваются от Белого моря на севере до Каспийского на юге. В обшей сложности их площадь свыше 350 тыс. км2.

Пласты горючих сланцев залегают почти горизонтально. Количество пластов в разрезе полезной толщи непостоянно (1-5 и более, иногда 15-20 маломощных слоев). Мощность пластов сланцев различна (0,30-3, даже 5 м), на отдельных участках месторождения изменяется в широких пределах.

Горючие сланцы сланценосной толщи отличаются друг от друга по содержанию СаСО3: сапропелевые слабоизвестковистые (СаСО3 до 10%), сапропелевые известковистые (СаСО3 до 25%), сильно-известковистые (СаСО3 свыше 25%). Сланцы всего бассейна высокосернистые, в среднем выше 3,0%. Качество сланцев нестабильно даже в пределах одного и того же месторождения. Содержание ОВ в сланцах 20-30%. Элементарный состав ОВ (%): С - 56-79, Н - 6,5-10,9, O+N - 13-35, S - 1,2-11,8.

Прогнозные запасы Волжского бассейна сланцев 500 млрд. т, смолы 45 млрд. т.

Гумусовый тип. Р3. Формация менилитовых сланцев Карпат. Формация распространена на обширной площади Карпат и прослеживается на территории Польши, Чехии, Словакии, Венгрии и Румынии. Флишоидная формация геосинклинальных сланцевых образований имеет сложное тектоническое строение.

На территории России практический интерес представляет нижнеменилитовая свита, поскольку в слагающих ее породах содержится ОВ повышенной концентрации. Для менилитовых сланцев характерен их постепенный переход к аргиллитам и алевролитам. Линзовидные прослои сланцев не выдержаны по простиранию и падению. ОВ распределено неравномерно и составляет 15-20%, реже больше. Теплота сгорания сланцев 4200-7700 кДж/кг, редко выше. Выход смолы 3-6% на сланец.

Фракционный состав смолы полукоксования (%): перегоняется до 150°С - 9, 200° С - 24,5, 300° С - 60,5, 325° С - 66,0, 350° С - 75. Групповой состав смолы на сланец (%): фенолы + карболовые кислоты - 8,7, азотистые основания - 1,2, парафины - 1,5, нейтральные кислородные соединения - 15. Минеральная часть сланцев относится к алю-мосиликатному типу (%): SiO2 - 50-64, Аl2О3 - 7-13, Fe2O3 - 3-б, СаО - 0,3-15, MgO - 0,8-1,8, K2О+Na2O - 0.4-3. Минеральная (зольная) часть сланцев пригодна для производства многих строительных материалов.

Запасы смолы, 15-20 млрд. т, газа - 25865-109 м3.

Сапропелевый тип. Р1. Алеврито-аргиллито-сланцевая формация Болтышской и Ротмистровской впадин Украины, Формация приурочена к впадинам, образованным в докембрийских кристаллических породах Украинского массива. Накопление сланценосных пород происходило в мелководных, прибрежно-морских и озерных условиях.

Элементарный состав ОВ (%): С - 62-72, Н - 9-10, О - 15-21, N - 1,2-2,3, Sорг - 1-2. Выход летучих веществ - 75-85%. Смола малосернистая, но содержит до 4,6% азотистых оснований и до 8,4% парафинов.

Выход бензиновой фракции 18,5, дизельной - 38, тяжелой - 40-44,3%. Минеральная часть в основном алюмосиликатная. Содержание А12О3 в отдельных пластах составляет 27%. Она пригодна для производства аглопорита, ячеистого бетона, минеральной ваты и каменного литья.

Запасы сланцев с выходом смолы более 10% составляют 3,5 млрд. т. При теплоте сгорания 6280 кДж/кг запасы увеличатся в несколько раз.

Сапропелево-гумусовый тип. Р2 Формация сланценосных гринриверских отложений США. Формация распространена на площади 65 тыс. км2. Сланценакопление происходило в структурных формах, возникших в Скалистых горах в результате ларамийского орогенеза. В эоценовую эпоху возникают такие крупные бассейны, как Грин-Ривер и Вошейки (штат Вайоминг), Пайсенс-Крик (штат Колорадо), Уинта (штат Юта) и др. Мощные сланценосные отложения на протяжении 10 млн. лет заполняли межгорные впадины.

Кероген имеет неароматическую структуру, содержит дикарбоновые кислоты. Пиролиз при 500° С показал выход (%): смолы - 66, газа - 9, воды - 5 и углекислого остатка - 20. Кероген является макромолекулярным веществом, имеет линейно-конденсированное, насыщенное цикличное строение с гетероатомами кислорода, азота и серы. Элементарный состав (%): С - 80,5, Н - 10,3, N - 2,4, О - 5,8 и S - 0,1.

Содержание ОВ в горючих сланцах 8-50% Распределение его неравномерно, выделяются пласты, богатые и бедные керогеном. Пласты сланцев не выдержанны, количество их в разрезе отдельных бассейнов достигает 70, а мощность варьирует от нескольких метров до 600 м и более. Выход смолы 3-15%. Теплота сгорания 3340-8373, в среднем 6280 кДж/кг.

Запасы смолы в сланцах Грин-Ривер определены в 1200 млрд. т.

Сапропелевый тип. Р2 Формация сузакских горючих сланцев Узбекистана и Таджикистана. Формация широко распространена па территории Узбекистана и Таджикистана, в предгорной части Гиссарского хребта.

Отложения эоцена представлены глинами, мергелями и горючими сланцами. Образование горючих сланцев Байсунского месторождения Узбекистана происходило в неглубоком морском бассейне. Месторождение расположено на северо-западном крыле Байсунской синклинали. На территории Таджикистана горючие сланцы сузакского слоя приурочены к Южно-Таджикской депрессии. В Узбекистане на Байсунском месторождении среди глин залегает пласт сланца мощностью 0,40-0,72 м, а в Таджикистане в аналогичных геологических условиях залегают два пласта горючих сланцев мощностью 1 и 2 м. Горючие сланцы близки по составу (%): влага - 1,6-11,2, зола - 62-89, сера - 4-5,9. Теплота сгорания 6280-13400 кДж/кг. Выход смолы на сланец - 4-11,8%. Выход летучих веществ - 26-36%.

Сланцы распространены на обширной площади. При комплексной разработке сланцы данной формации могут оказаться прочной базой получения химических продуктов и извлечения ценных металлов, а на основе минеральной части - производства аглопорита, каменных литых изделий и др. Сланцесмоляные продукты пригодны для получения гербицидов и других продуктов для нужд сельского хозяйства. В зоне выветривания сланцы заметно беднее.

Запасы сланцев в пределах изученных площадей по Узбекистану 1392 млн. т, по Таджикистану - 2902 млн. т.

Сапропелево-гумусовый тип. Р-N. Формация фушуньских угольно-сланценосных отложений Китая. Фушуньская формация угольно-сланценосных отложений КНР распространена на обширной площади на северо-востоке, в провинции Ляонин, и на юге, в провинции Гуандун и в Гуанси-Чжуаиском автономном районе. В этих провинциях известны промышленные угольно-сланцевые месторождения, образованные в палеоген-неогеновый период, близкие по составу и качеству.

Качество горючих сланцев (%): влага - 5, зола - 78-80, содержание ОВ в сланцах - 25; теплота сгорания 3300-6200 кДж/кг. Выход смолы 3-7, реже 10-15%. Смола высокопарафинистая (15-17% парафинов). Выход газа на 1 т сланца 42 м3. Химический состав золы (%): SiО2 - 62,3, А12О3-26,7. Fе2О3 - 61, СаО - 0,10, MgO - 1,8.

В нижней части сланценосной толщи имеется много остатков растений.

В сланцах Фушуньского месторождения содержатся такие химические элементы, как торий - 0,2%, ниобий и тантал - 0,1-0,3%, молибден и вольфрам.

В течение многих лет сланцы подвергают термической переработке, в результате чего получают бензин, парафин, дизельное топливо и другие продукты.

Прогнозные запасы горючих сланцев Фушуньского месторождения оцениваются в 360 млрд. т.

«Торфяная» стадия водорослевых сланцев. Кайнозой. Q4. В современных лагунных и озерных условиях происходит процесс образования балхашита и коронгита - представителей начальной стадии зарождения водорослевого керогена. Образование балхашита и коронгита происходит в водной среде с различным рН в аэробных условиях.

Образование коронгита и, вероятно, балхашита протекает в такой последовательности: сначала бактерии в аэробных условиях преобразуют водорослевый материал, что сопровождается возникновением масляной пленки на поверхности воды; скапливается гелеобразная масса липидного состава, ОВ сгущается, полимеризуется и твердеет с превращением в плотную массу, одновременно уменьшается ненасыщенность, увеличиваются инертность и нерастворимость.

Элементарный состав (%): коронгита - C - 77,5, Н - 11,0. N+S - 0,60-1,5; балхашита - С - 73,76, Н - 10,61, О - 13,74, N + S - 1,59.

Коронгит и балхашит представляют собой раннюю стадию образования водорослевого керогена и что их основными характерными чертами являются избыточная, липидная природа матрицы водорослевых плюсок и высокая химическая ненасыщенность. Образования коронгита и балхашита самостоятельного промышленного значения не имеют. Они прежде всего представляют интерес для научных исследований.

.2 ФАЦИИ И РИТМЫ СЛАНЦЕНАКОПЛЕНИЯ

Сланценосные толщи большинства известных месторождений имеют сложное строение за счет повторяющихся в разрезе определенных комплексов пород, образованных в процессе седиментации осадков. В период сланценакопления имело место проявление макро- и микроритмов, что послужило частому переслаиванию слоев или прослоев горючего сланца и вмещающих пород. Количество слоев сланцев в разрезе некоторых сланценосных толщ нередко достигает нескольких десятков, они имеют различный состав и мощность. В одном случае слои расположены сближенно, в другом - разобщены межпластовыми прослоями пород различной мощности. Прослои так называемых пустых пород нередко содержат ОВ в повышенном количестве, иногда в виде незначительной примеси или оно почти полностью отсутствует. Пласты, слои и прослои сланцев непрерывно прослеживаются на всей площади сланценосной толщи или имеют прерывистое строение и изменчивые мощность и состав.

Характер проявления седиментационных ритмов зависит от многих факторов, прежде всего от физико-географических и, особенно, тектонических условий района сланценакопления. Выявление общей закономерности формирования полезной толщи представляет практический интерес для перспективной оценки запасов сланцев определенного месторождения или бассейна.

Фация грин-риверских сланценосных отложений в эпоху эоцена образовалась в течение 4-6 млн. лет на площади около 14 млн. км2 в четырех структурных бассейнах (Грин-Ривер, Уинта, Пайсенс-Крик и Вошейки) в озерных условиях. В общей сложности грин-риверские отложения по мощности колеблются от нескольких метров до 1 км. Они сложены осадками озерного и речного происхождения, среди которых выделяются и соленосные свиты.

В западной части Прибалтийского бассейна в кукерском горизонте среднего ордовика на основании фациальных различий отложений можно выделить четыре пачки (снизу вверх):

) харьюская, состоящая из синевато- и зеленовато-серых, реже коричневатых тонкослоистых комковатых известняков с тонкими прослоями кукерсита;

) кивиыльская, с мощными прослоями горючих сланцев, чередующимися с коричневато-серыми комковатыми известняками;

) хумалаская, представленная тонким переслаиванием маломощных прослоев кукерсита и мергелистых синевато-серых и коричнево-серых известняков;

) савалаская, состоящая из коричнево-серого комковатого известняка с многочисленными ходами червей и средними тонкими прослоями горючих сланцев.

Строение промышленного пласта горючих сланцев кукрузеского горизонта сложное. Довольно частое чередование слоев сланца и прослоев известняков различной мощности свидетельствует о частой смене ритмов сланценакопления. Процесс сланценакопления был длительным. Северо-Эстонский прогиб за время своего существования не оставался неподвижным. С. С. Бауков считает, что биологическая продуктивность в среднеордовикском море была большой. В сланценосной толще мощностью 20 м на площади 100 тыс. км2 захоронено Сорг в количестве не менее 200 млрд. т, в том числе 40-50 млрд. т сконцентрировано в слоях и примерно 150 млрд. т рассеяно в карбонатных породах.

В сланценосных осадках кукерского горизонта среднего ордовика Прибалтийского бассейна накопление ОВ происходило в течении длительного времени с ритмично чередующимися слоями горючего сланца и прослоев карбонатных пород, что придает сланценосной толще сложное строение (рис.3): в ней насчитывается 28-30 слоев горючего сланца различной мощности и различного содержания ОВ.

Рис. 3. Строение промышленной пачки горючих сланцев Прибалтийского бассейна (широтный профиль).

- горючий сланец.кукерсит; 2 - известняк с включениями кукерсита; 3 - известняк; 4 - сланец с конкрециями.I и II - Эстонское и Ленинградское месторождения.

Сланценосные отложения известны в южной предгорной части Главного Кавказского хребта. Кроме пяти известных месторождений горючих сланцев проявление сланценосности установлено в различных районах Грузии. Сланценосные толщи мезозойско-кайнозойского возраста, состоящие из песчано-глинистых, известняковых и мергелистых пород, содержащих горючие сланцы, несогласно залегают на размытых сильно дислоцированных древних образованиях фундамента. Мезозойско-кайнозойский комплекс (юрские, меловые, палеогеновые и неогеновые отложения), выполняющий Закавказскую межгорную впадину, располагается между Большим и Малым Кавказскими хребтами в зоне интенсивных тектонических прогибаний.

Из всех известных месторождений горючих сланцев наиболее изученным является Джварское. Сланценосные отложения юрско-мелового комплекса Джварского месторождения несогласно залегают в антиклинальной складке северо-восточного простирания на древних образованиях фундамента. В геологическом строении района месторождения участвуют породы юрского осадочного комплекса (снизу вверх):

) свита порфиритовая - порфириты, туфы, туфобрекчии, туфогенные песчаники, слюдистые песчаники и глинистые сланцы с прослоями туфогенных песчаников. Мощность 180 - 250 м;

) сланценосная свита - листовые глинистые сланцы с прослоями туфов, аркозовых песчаников и горючих сланцев. Сланцы содержат глинисто-известковые конкреции. Мощности 130 м;

) угленосная свита - песчаники, алевролиты и аргиллиты с прослоями и пластами углей;

) пестроцветная толща - песчаники, глинистые породы и мергели.

Горючие сланцы тонкослоистые, черного цвета. В пелитовой основной массе содержатся ОВ, глинистые минералы и мелкие чешуйки биотита, мусковита, а также обломки кварца, полевого шпата. Площадь распространения сланцев - около 10 км2. В. И. Конивец в сланцевой толще выделил три горизонта (табл. 2):

Таблица 2. Количество и мощности пластов горючих сланцев Джварского месторождения

Горючие сланцы распространены во многих районах Восточного Забайкалья. Образование сланценосных толщ связано с верхнемезозойским континентальным комплексом отложении. Угленосные и сланценосные отложения верхнего мезозоя имеют преимущественно песчано-алевритовый и алеврито-аргиллитовый состав.

В основании континентальной толщи средней юры залегают отложения калганского горизонта нижней юры, затем следуют среднеюрские угленосные отложения тургайского горизонта, на которых залегает верхнеюрский комплекс пород, а на последних согласно лежат нижнемеловые осадки. Мощность разреза верхнемезозойских осадков в различных районах 1050-3000 м.

Верхнемезозойские отложения накапливались в многочисленных ранее образованных впадинах мезозойской складчатости. В остаточных впадинах восточных окраин территории Восточного Забайкалья происходило накопление триасовых, нижне- и среднеюрских морских осадков, а в образованных межгорных троговых впадинах - мезозойских континентальных отложений, в том числе горючих сланцев и угля. Сланценосные отложения позднеюрского и раннемелового возраста залегают либо в виде самостоятельных толщ, либо внутри угленосных толщ, либо со стороны лежачего бока пластов угля.

Накопление угля и сланцев происходило в крупных пресноводных озерных водоемах в условиях умеренного теплого климата. Толща сланцев содержит остатки и отпечатки растений, ганоидных рыб, насекомых, пелеципод, гастропод, костей динозавров, остатки зеленовато-синих водорослей. Изменение климатических и тектонических условий в ранне-среднеюрский период вызвало обмеление водных бассейнов и способствовало накоплению в них гумусового материала. Наличие в разрезе полезной толщи пластов угля, и пластов, и линз горючих сланцев свидетельствует об изменении режима отложений.

ОВ горючих сланцев представлено остатками мельчайших зеленовато-синих планктонных водорослей и незначительным количеством мелкого растительного детрита. Глинистая часть сланцев имеет каолиновый состав. Содержатся обломки кварца, полевого шпата, чешуйки слюд, хлорит, серицит.

Из числа известных многочисленных месторождений сланцев и угля позднемезозойского возраста Восточного Забайкалья наиболее типичным примером может служить Гусиноозерское месторождение.

Гусиноозерская впадина является составной частью Гусиноозерско-Удинской депрессии. Во впадине на размытой поверхности сильно дислоцированных пород фундамента залегают континентальные угленосные отложения верхнего мезозоя. Синклинальная структура впадины осложнена вторичными тектоническими нарушениями, что привело к образованию в угленосной толще ряда мелких антиклиналей и синклиналей. Горючие сланцы залегают в нижней части разреза угленосной нижнехолбольджинской подсвиты. Пласты сланцев в виде небольших залежей залегают в кровле угольных пластов или подстилают пласты угля. Кроме того, наблюдается переслаивание тонких прослойков сланца и аргиллита. Мощность пластов сланца 0.12 - 2 м. Содержание ОВ в сланце около 40%. Сланцы сернистые (Sобщ 6,1 %). Гуминовых кислот содержится около 6%.

.3 ГЕОТЕКТОНИЧЕСКИЕ ТИПЫ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

Накопление сланценосных отложений происходило в различных геотектонических условиях. В одних случаях накопление ОВ было тесно связано с геосинклинальным режимом, в других - с типично платформенными или промежуточными условиями.

Геосинклинальный тип месторождений горючих сланцев встречается в геосинклинальных областях палеозоя, мезозоя и кайнозоя. Возникшие складчатые структуры при наличии благоприятных палеогеографических условий способствовали сланцеобразованию. Важную роль в накоплении ОВ в этих условиях играли межгорные впадины и краевые прогибы. Для геосинклинального типа месторождений характерны обширная (100 тыс. км2 и более) площадь распространения сланценосных толщ, значительная (600-1000 м) мощность полезных толщ, большое количество пластов горючих сланцев, нередко, выдержанных по разрезу, наличие равномерно распределенного ОВ во всех породах толщи с некоторым увеличением или уменьшением концентрации его в отдельных горизонтах, преимущественно пластовая форма залежей. Запасы горючих сланцев составляют десятки и сотни миллиардов тонн.

В качестве примера геосинклинального типа может служить месторождение Мидлэндской долины. Накопление осадочного комплекса пород, содержащих ОВ горючих сланцев, в Мидлэндской долине Шотландии тесно связано с развитием тектонических структур и вулканической деятельностью в палеозойскую эру. Формирование сланценосной толщи совпадало с максимальным оседанием слагающих район пород. Сланценосная толща шотландской свиты в нижней части разреза представлена глинистым известняком, а в верхней - известковистым песчаником визейского яруса

Платформенный тип месторождений горючих сланцев приурочен к мелководным областям распространения древних и эпипалеозойских платформ. Сланценакопление в большинстве случаев происходило в мелководном морском бассейне в условиях сравнительно спокойного платформенного геотектонического режима во впадинах, прогибах, а в отдельных районах - в поднятиях и сводах платформенных структур. ОВ сапропелево-гумусового или гумусово-сапропелевого состава накапливалось в открытых или полузакрытых бассейнах нормальной солености и нормального газового режима в карбонатных, глинистых или карбонатно-глинистых илах. В отдельные геологические эпохи, например в поздней юре, накопление ОВ захватывало обширные площади. Развитие колебательных движений малой амплитуды приводило к проявлению ритмичности осадконакопления. Кроме того, вследствие неравномерности поднятия отдельных частей платформ возникали обособленные площади сланценакопления с определенным гидрохимическим режимом.

Форма залегания горючих сланцев пластовая, пластообразная и линзовидная. Залегание пластов горизонтальное или пологое. Глубина залегания сланценосных горизонтов от нескольких десятков метров до 1-1,5 км и более. Мощность сланценосных толщ от нескольких метров до 1 км. Количество пластов в разрезе сланцевой толщи 3-20 и больше. Промышленное значение чаще всего имеют значительно меньшее количество пластов (3-5, реже больше). В некоторых горизонтах насчитывается до 100 маломощных слоев горючих сланцев. Сближенное расположение их не исключает возможности промышленного использования всей сланценосной; толщи или валовую выемку ее части. Мощность пластов сланцев от 10-40 см до 1-3 м, значительно реже 5-8 м. Во многих случаях пласты сланцев выдержанны по мощности.

Строение сланценосной толщи - от простого до сложного, с многочисленными межпластовыми прослоями пород (песчаники, глинистые сланцы, известняки, мергели), в той или иной степени содержащих ОВ. Качество сланцев в разрезе толщи различное. В некоторых месторождениях нижние пласты богаче ОВ, чем лежащие выше. Пласты сланцев выдержанны по мощности и качеству с тенденцией постепенного изменения этих показателей к периферии залежи или бассейна.

В разрезе толщи отдельных месторождений содержатся пласты угля. Теплота сгорания сланцев 6280-10 467, редко 16747-18 850 кДж/кг. Выход смолы 10-20, значительно реже 25-30%. Запасы сланцев - от нескольких миллионов до десятков и даже сотен миллиардов тонн в крупных сланценосных бассейнах, В сланценосных толщах некоторых месторождений наблюдаются проявление дизъюнктивных нарушений, интенсивные размывы и карстообразование.

При наличии в горючих сланцах того или иного месторождения данного типа сопутствующих (генных) компонентов, например урана, значительно повышается их промышленная значимость. Химический состав минеральной части горючих сланцев разнообразен - карбонатный, алюмосиликатный и алюмосиликатно-карбонатный, что позволяет рассчитывать на максимальное использование зольных отходов в производстве разнообразных строительных материалов.

На территории Иркутского угольного бассейна известно немало месторождений горючих сланцев, приуроченных к юрским угленосным отложениям. Бассейн расположен в пределах южной части Среднесибирского плоскогорья. Угле- и сланценосные отложения юры несогласно залегают на дислоцированных и размытых породах фундамента.

В пределах бассейна среди юрского комплекса осадочных образований выделено три свиты: заларинская (J1), мощностью 30-150 м, состоит из конгломератов и эффузивов и относится к фации горного руслового аллювия; черемховская (J1-J2), мощностью до 300 м, представлена песчаниками, алевролитами, аргиллитами, углями и сланцами, которые соответствуют аллювиальным фациям; присаянская (J2), состоит из песчаников, аргиллитов, гравелитов и угля.

Горючие сланцы Иркутского бассейна являются полиаморфными, это смешанный сапропелево-гумусовый тип, содержащий включения растительного детрита и типично сапропелевого материала.

Промежуточный тип месторождений горючих сланцев образовался в переходных условиях - от геосинклинальной области к континентальным платформам. Характерными особенностями данного типа является огромная площадь распространения сланценосных отложении, изменчивость литологического состава продуктивной толщи, наличие значительного количества маломощных пластов и прослоев горючих сланцев, непостоянство их мощности и невыдержанность по площади. Мощность сланцевой толщи от 10-55 м и более. Количество пластов и прослоев 3-50 и более, мощностью обычно 0,10-0,70 м, за редким исключением больше. Отдельные пласты или прослои сланцев по простиранию или падению замещаются смещающими породами.

Состав горючих сланцев в пределах одного и того же бассейна и месторождения различный: карбонатные, кремнисто-битуминозные, известковисто-глинистые, известковисто-кремнистые. Содержание ОВ 10-15, очень редко 20-25%. Кероген образует мелкие включения, тонкие прожилки, концентрации линзовидной формы и т. д. ОВ в толще распределено неравномерно. В большинстве случаев сланцы пиритизированны.

ОВ сапропелево-гумусового и гумусово-сапропелевого состава. Элементарный состав (%): С - 63-73, Н - 7-10, S - 0,3-2, О - 10-15 и N - 2-8. Теплота сгорания 4186-8373 кДж/кг. Выход смолы 3-10%. Содержание фенолов в смоле некоторых месторождений 7-10%.

Горючие сланцы франского яруса среднего девона Южного Приуралья (доманиковые отложения) приурочены к переходной зоне - от Русской платформы к Уральской складчатой зоне. Доманиковые отложения представлены переслаивающимися известняками, известково-глинистыми и горючими сланцами, мергелями и кремнями, в различной степени содержащими ОВ. В районах Ухтинской складки (Коми) мощность доманиковой сланценосной толщи 47,7 м. В толще насчитывается 248 прослоев осадочных пород, в том числе 163 пласта и пропластка горючих сланцев. Последние тонкоплитчатые, кремнистые, известково-кремнистые и известковисто-глинистые. Мощность прослоев сланцев 0,03-0,72 м. Наибольшее количество ОВ содержится в черных сланцах, меньше в темно-коричневых, наименьшее - в светлых.

.4 ФОРМА ЗАЛЕЖЕЙ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

Возникшие в определенные геологические периоды региональные и локальные структуры горных пород под воздействием тектонических или иных проявлений оказывали влияние на форму и размеры сланценосных отложений. На возникновение определенной формы залежей горючих сланцев влияла также физико-географическая среда определенного периода. Характерными типами залежей горючих сланцев являются пластообразный, линзообразный, мульдообразный, кальдеровидный и др. Сланцы встречаются в виде пластов, слоев, прослоев, выдержанны в залегании с изменчивой мощностью по простиранию и падению. Пласты сланцев расположены сближение или отделены друг от друга прослоями пустых пород. ОВ равномерно или неравномерно с четкими границами с вмещающими породами или с постепенными переходами распределено в отложениях всей толщи.

Сланценосные толщи, а также залегающие в них залежи в одном случае без резкого изменения в строении и состава распространены на значительной площади, в другом имеют прерывистое строение, претерпели тектонические нарушения и спокойно залегают без видимых признаков смещения. В некоторых залежах, особенно залегающих в известняках, доломитах или переходных между ними разновидностях пород, наблюдается проявление карста.

Пластообразный тип залежей горючих сланцев, имеющих горизонтальное или пологое залегание. Залежи представлены одним или несколькими пластами или слоями. Одни из пластов сланцев выдержанны по мощности и прослеживаются без каких-либо признаков изменения, другие имеют прерывистое строение или подвергнуты тектоническим нарушениям.

Айювинское месторождение верхнеюрских горючих сланцев приурочено к пологой синеклизе. Залегание сланценосной толщи почти горизонтальное (рис.4). Горючие сланцы не имеют резких контактов с вмещающими их породами - мергелями и глинами. Общая мощность сланценосной свиты - 19 м. Пласты горючих сланцев хорошо выдержанны по мощности (0,6-7,0 м) на всей площади распространения. Разрез сланценосной толщи по р. Айюве:

Горючий сланец........ 0,03

Зеленый мергель....... 0,90

Горючий сланец, IV пласт..... 0,85

Зеленый мергель........ 1,2

Горючий сланец, III пласт..... 0,90

Глина темная, мергелистая . 1,2

Горючий сланец, II пласт..... 0,95

Глина темно-серая....... 1„50

Горючий сланец, I пласт с прослоями глины……….7,0

Сланценосные отложения нижневолжского яруса верхней юры Ибского месторождения Сысольского района Коми по литологическому составу хорошо выдержанны на всей площади района. Мощность продуктивной толщи 90 м. В ней выделено две зоны - известковистых глин и глинистая. В первой (верхней) залегает один пласт горючего сланца, во второй - четыре.

Рис. 4. Геологический разрез Айювинского месторождения горючих сланцев. 1 - песок с гравием; 2 - песчаные глины; 3 - глины; 4 - глины и глинистые сланцы; 5 - горючие сланцы; 6 - глины известковистые; 7 - мергель.

Пласты горючих сланцев выдержанны по мощности и разделены прослоями пустых пород. Мощность пласта I на отдельных участках 0,20-2,0, в среднем - 0,50 м, пласта II - 0,25-1,7, в среднем - 0,80 м; пласта III - 0,30-2,20, в среднем - 1,15 м; пласта IV - 0,25-4,0 в среднем - 2,30 м. Пласт V, залегающий в известковистых глинах, имеет ограниченное распространение.

Мульдообразный тип залежей горючих сланцев встречается не так часто. Образование его тесно связано с тектоническими структурами, возникшими в подстилающем комплексе пород до начала накопления ОВ, или в процессе сланценакопления, или же за счет характера палеорельефа дна бассейна.

Озинковское месторождение, горючих сланцев нижневолжского яруса верхней юры, расположенное на территории России в области склона древней Русской платформы, приурочено к трем куполовидным соленосным структурам. Сланценосная свита, мощностью 48 м, имеет мульдообразный характер залегания. На крыльях купола углы падения сланценосных отложений увеличиваются до 25°, а в сводовой части соляного купола не превышают 10°. Залегание пластов сланца спокойное, но на отдельных участках наблюдаются разрывные нарушения. В разрезе свиты отмечается циклическое строение: горючий сланец - глинистый горючий сланец - сапропелевая глина - мергелистая глина. Эти циклы, мощностью 2,5-7,5 м, повторяются шесть раз. В свите залегают восемь пластов горючего сланца мощностью 0,25-4,2 м (рис.5). Пласты сланцев сложного строения, состоят из нескольких пачек, которые в свою очередь нередко разделены на отдельные слои глинами сапропелевого или мергелистого состава. Образование горючих сланцев происходило вблизи берега мелководного открытого моря в подводных впадинах. Цикличность в литологическом составе сланценосной свиты указывает на пульсирующий характер колебательных движений в период накопления ОВ. Качество пластов сланца различное. Теплота сгорания 3930-12560 кДж/кг. Выход смолы 5-14%. Сланцы многосернистые (Sобщ 3,8-12%).

Рис. 5. Геологическая карта Озинковского месторождения горючих сланцев.

-7 - отложения: 1 - палеогеновые, 2 - верхнемеловые, 3 - нижнемеловые, 4 - верхневолжский ярус верхней юры, 5 - нижневолжский ярус верхней юры, 6 - средне-верхнеюрские - батский, келловейский, оксфордский и кимериджский ярусы, 7 - пермские+триасовые; 8 - тектонические линии; 9 - линия разреза; 10 - шахтное поле.

Мульдообразный характер залегания имеет сланценосная толща нижневолжского яруса верхней горы Савельевского месторождения Волжского бассейна. Площадь месторождения приурочена к большому брахнантиклинальному поднятнию с рядом мульдообразных понижений, осложненных сбросами. В центральной части мульды угол падения 1-3°, на краях 15-20°. Литологический состав продуктивной свиты однообразен - на глины приходится 82, на горючие сланцы 18%. Пласты имеют сложное строение-мощность увеличивается от периферии к центру мульды, представлены несколькими слоями, разделенными прослоями сапропелевой глины.

Линзообразный тип залежей горючих сланцев чаще всего приурочен к речным дельтам, дельтовым лагунам, озерам и впадинам с меняющимся режимом накопления ОВ и приноса минеральной массы. Размеры таких залежей различны как по площади распространения, так и по мощности. Иногда одна линза по простиранию сменяется другой. В пределах таких линз имеется или несколько слоев горючих сланцев, разделенных прослоями карбонатных пород, глин, или пород другого состава. Строение залежей чаще сложное. Отдельные пласты как бы расщепляются и постепенно переходят во вмещающие породы. Слои сланцев не выдержанны. Одни из них прослеживаются и сохраняют качество на значительной площади, другие не выдержанны по мощности и составу.

Рис. 6. Схематический геологический разрез по Дергуновскому месторождению.

- горючий сланец; 2 - глина; 3 - известковистая глина; 4 - песок; 5 - суглинок.

Сланценосные отложения продуктивного горизонта нижневолжского яруса верхней юры Дергуновского месторождения Волжского бассейна приурочены к западной, опущенной, зоне юго-восточного склона Русской платформы, осложненной пологими структурами второго порядка. Мощность продуктивного горизонта 2-56 м. Залегает он почти горизонтально и содержит до четырех пластов сланцев сложного строения (рис.6). Каждый пласт состоит из 3-7 слоев сланца, разделенных прослоями глин. Как пласты, так и, особенно, слои сланцев не выдержанны по мощности, выклиниваются, сменяются новыми слоями. Последние имеют линзовидную форму. Пласт Р1, мощностью 14 м, залегающий в нижней части разреза горизонта, состоит из семи слоев горючего сланца мощностью 0,17-5,3 м, разделенных прослоями глин. Пласт Р2, мощностью 18 м, состоит из четырех слоев сланца мощностью 0,17-5,1 м. Пласт Р3, мощностью до 1,5 м, состоит из трех слоев сланца мощностью 0,13-1,225 м. Верхний пласт P4, средней мощностью 6,12м, включает три слоя сланцев мощностью 0,2-1,05 м.

Чаше- или блюдцеобразный тип залежей горючих сланцев меньше распространен. Накопление ОВ происходило во впадинах тектонического происхождения, кальдерах, межгорных бассейнах или впадинах оседания. В плане залежи могут иметь замкнутую овальную форму или быть вытянуты в одном из направлений. В большинстве случаев это впадины крупных размеров по площади и на глубину. Сланцевые залежи имеют значительную мощность, разнообразный сложный литологический состав пород и отличаются неоднородностью петрографического и химического состава. В отдельных случаях залежи такого типа обладают крупными запасами горючего сланца и содержат некоторые пласты или горизонты высокого качества.

Болтышское месторождение горючих сланцев приурочено к глубокой впадине в докембрийских кристаллических породах Украинского массива. По мнению одних исследователей, образование впадины связано с проявлениями тектонических нарушений в виде ступенчатых сбросов, по мнению других - впадина представляет собой кальдеру обрушения на месте вулкана. Впадина имеет округлую замкнутую форму диаметром 20-25 км и глубиной свыше 500м (рис.7). Площадь ее около 400 км2. Склоны впадины пологие. Форма сланценосной толщи чаше- или блюдцеобразная. Дно впадины почти горизонтальное. В центре впадины зафиксирован выступ гранитов, что также повлияло на строение залежи. Слои сланцев образуют пологое куполообразное поднятие. К бортам впадины мощность залежи постепенно уменьшается, и затем она выклинивается.

- суглинки, красно-бурые глины, пески (четвертичная система); 2 - пески светлые с прослоями глин и песчаников (неогеновая система); 3 - мергель, пески кварцево-глауконитовые (киевская свита); 4 - глины темные, пески углистые, алевриты (бучакская свита); 5 - глины аргиллитоподобные темно-серые, слюдистые (меловая система); 6 - горючие сланцы с прослоями битуминозных глин (меловая система); 7 - битуминозные глины с прослоями мергелистых глин (меловая система); 8 -глинистые сланцы тонколистоватые, с прослоями алевритов (меловая система); 9 - алевриты, алевролиты, песчаники (меловая система); 10 - крупнозернистые пески с глыбами и обломками кристаллических пород; 11 - эффузивы кислого состава (юрская система); 12 - граниты, мигматиты, гнейсы (протерозойская группа).

Кальдеровидный морфологический тип горючих сланцев представляет собой или отдельную обособленную, или серию близрасположенных впадин различных размеров, образованных в результате медленного погружения и постепенного заполнения морскими, озерными или речными осадками, или теми и другими. Впадины на соответствующих этапах развития могли соединяться и разобщаться под влиянием горообразовательных процессов. Частая смена фаций привела к сложному строению залежей сланцев. Нередко морские отложения сменялись озерными, а последние речными. Представителем данного типа могут служить месторождения штатов Колорадо, Юта и Вайоминг США.

Сланценосные отложения формации Грин-Ривер залегают в четырех структурных бассейнах - тектонических впадинах. Мощность отложений 100-1000 м. Горючие сланцы переслаиваются глинистыми известняками, глинистыми сланцами, аргиллитами, известняками, песчаниками, туфами, троновыми, водорослевыми, остракодовыми и моллюсковыми известняками. Сланценосная толща в отдельных районах имеет котловинообразную форму (рис.8).

Рис 8. Геологические разрезы бассейна Пайсенс-Крик. 1 - перекрывающие породы; 2 - сланец с выходом смолы более 105 л/т.

5. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

Горючие сланцы по сравнению с известными горючими ископаемыми занимают самостоятельное положение как по природе образования, так и по составу ОВ и минеральной массы. Качество их в основном зависит от массовой доли сапропелевого вещества и степени его превращения в процессе диагенеза. На качество сланцев оказывает влияние гумусовый материал и его состав. Петрографический состав ОВ сланцев в значительной степени влияет на выход смолы и теплоту сгорания.

Основными показателями, определяющими промышленное значение горючих сланцев, являются влажность (Wр), зольность (Ас), выход летучих веществ (Vг), выход смолы на сланец и на горючую массу (Тг), теплота сгорания высшая (Qв), низшая (Qн), условной горючей массы (Qг). Эти показатели определяются по методике известных государственных стандартов.

.1 ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ СОСТАВ ОВ

По элементарному составу ОВ, содержанию углерода, водорода, кислорода, азота и серы горючие сланцы отличаются от углей и нефти. В сапропелитах содержание углерода 55-80%. Более «чистые» разновидности сланцев, преимущественно сапропелевые, содержат углерода 70-80%. а выход смолы до 30% на сланец и до 66% на ОВ. В сапропелитах установлено более повышенное, чем в гумусовых горючих ископаемых, содержание водорода. На эту особенность горючих сланцев указывал еще А. Ф. Добрянский. По мере увеличения содержания гумусового материала в горючих сланцах качество их снижается как по теплоте сгорания, так и по выходу смолы.

В процессе формирования сланценосных толщ происходило накопление в различных соотношениях организмов фитобентоса, фитопланктона, зообентоса, зоопланктона, морских млекопитающих. Общая масса живого вещества за вычетом минеральных скелетных элементов, слагается преимущественно из белков и липоидов, а в составе растительного организма к ним примешиваются целлюлозный материал и инкрустирующие клетчатку нерастворимые высокомолекулярные вещества. Следовательно, кероген горючих сланцев, в основном водорослевого начала, представляет собой многокомпонентный продукт многостадийного превращения исходного живого вещества под влиянием различных факторов. Этим объясняется различие сланцев по химическому составу. Многие сланцы содержат гумусовое вещество.

Сланцы юрского периода имеют более повышенный процент серы. В них ОВ, наряду с серой содержит и большое количество кислорода. Все это позволяет допустить, что в образовании их принимали участие не только водорослевый материал, но и компоненты отмершей прибрежной растительности, лигнин и клетчатка.

По элементарному составу, отношению выхода смолы полукоксования и теплоте сгорания горючие сланцы отличаются от торфа, бурых и каменных углей и ближе всего стоят к сапропелям.

Химический состав керогена сланценосной толщи многих месторождений изменяется по вертикали разреза за счет неоднородности петрографического состава и различной степени метаморфизма исходного ОВ. Пласты сланцев в зависимости от положения их в разрезе толщи отличаются друг от друга по составу керогена, выходу смолы и теплоте сгорания.

По показателю С/Н горючие сланцы отличаются от других типов каустобиолитов:

Нефть........................6,0-7,5

Сланец горючий......7,5-9,5

Бурые угли...............11-15

Торф……..................9-11

Каменный уголь......13-20

Чем выше процент углерода в керогене, тем выше и выход смолы и теплота сгорания. Однако кероген, имеющий высокое содержание углерода, нередко характеризуется глубокой степенью метаморфизма. Под воздействием тектономагматических и других процессов ОВ, потеряв большую часть органогенных химических элементов (водорода, азота и кислорода), может преобразоваться в чисто углеродистый минерал типа шунгита с содержанием углерода 84-98,7, водорода 0,2-0,9%.

Элементарный состав горючих сланцев, содержание углерода и водорода, теплота сгорания и выход смолы полукоксования - основной комплекс показателей, который позволяет судить о доле участия сапропелевого и гумусового вещества в образовании горючих сланцев.

Кероген сланцев представляет собой концентрат гетероатомных полимеров, практически нерастворимых в органических растворителях, и показывает отношение водорода к углероду. Он отличается от угольного вещества по петрографическому и элементарному составу и по растворимости.

.2 ВЫХОД СМОЛЫ

На выход смолы из горючих сланцев, без учета температурного режима переработки, основное влияние оказывают петрографический состав и степень химического превращения исходного ОВ. Процент выхода смолы на сланец не всегда остается постоянным в пределах промышленного контура месторождения. Изменения наблюдаются как по мощности промышленного пласта, так и но площади распространения сланцев.

Среди горючих сланцев можно по содержанию ОВ выделить три вида (%): богатые - свыше 20, среднего содержания - 10-20, бедные - меньше 10.

По проценту выхода смолы на сланец также можно выделить три основных вида сланцев: высоко-, средне- и низкосмоляные.

Высокосмоляной вид - самый богатый по выходу смолы на сланец (20-40, иногда до 45% и более). Выход смолы на ОВ, как правило, превышает 40%. Соотношение С/Н в смоле 8-8,5. Для получения 1 т сланцевой смолы потребуется переработать 4-6 т сланца. На базе таких сланцев могут быть организованы высокопроизводительные предприятия химического профиля.

Содержание ОВ в высокосмоляных горючих сланцах 30-45%. В основном своей массе такие сланцы имеют сапропелевый или сапропелево-гумусовый состав.

Содержание фенолов в смоле нередко превышает 20%- Теплота сгорания 8400-19000 кДж/кг.

Среднесмоляной вид имеет выход смолы 10-20% на сланец. Выход смолы на ОВ 30-40%. Характерная особенность вида - неоднородность и частая изменчивость петрографического состава как по разрезу, так и по площади сланценосной толщи. В пределах одного и того же месторождения нередко залегают пласты преимущественно сапропелево-гумусового или гумусово-сапропелевого состава с заметным преобладанием одного из них. По этой причине наблюдаются резкие колебания в выходе смолы от условной органической массы.

Поскольку кероген сланцев различного химического состава, то и состав смол разнообразен. В одних смолах наблюдается повышенное содержание ароматических углеводородов, в других смолы содержат повышенный процент парафинов или сернистых соединений и т. д. Различаются смолы по выходу отдельных фракций и их составу.

Основная доля мировых запасов сланцев приходится на данный вид. Запасы отдельных месторождений обычно составляют многие миллиарды и даже сотни миллиардов тонн.

Смолы, как правило, сернистые, одни меньше, другие больше. Содержание сернистых соединений в сланцах некоторых месторождений свыше 10%. Сераорганические соединения представлены меркаптанами, сульфидами, дисульфидами и полисульфидами, тиофеном и их гомологами, би- и полуциклическими соединениями. Некоторые смолы содержат повышенный процент парафина.

Процент азотистых соединений в сланцевых смолах от сотых долей процента до 1 5-3% и выше.

Наряду с другими химическими продуктами из сланцевых смол отдельных месторождений могут быть получены сернокислый аммоний, аммиак, пиридин, техническая сера и др. Практическая ценность горючих сланцев некоторых месторождении заключается еще и в том, что в них обнаружено присутствие редких и рассеянных элементов: урана, ванадия, молибдена, германия и т. д.

Низкосмоляной вид характеризуется выходом смолы на сланец в среднем менее 10%. Сланцы бедны 0В (10-15%), который в основном гумусово-сапропелевого состава.

Особенностью многих месторождений является совместное нахождение в разрезе сланценосной толщи пластов сланцев и углей. Нередко наблюдается взаимопереход сланца в угли, и наоборот. Выход смолы на ОВ 15-20% и больше, а на сланец не более 10 и, как исключение, 15%.

.3 ЗОЛЬНОСТЬ

Зольный остаток от сжигания сланцев, в зависимости от их состава, составляет значительный процент (45-85%). Процент зольности сланцев является оценочным промышленным критерием. Сланцы с зольностью свыше 85% в современных условиях промышленностью не используются. Чем выше процент выхода золы, тем меньше содержание ОВ, тем ниже теплота сгорания сланцев и выход смолы на сланец.

Выход золы у малозольных сланцев - менее 60%. Теплота сгорания - выше 10400 кДж/кг, выход смолы на сланец - более 20%. Сланцы богаты ОВ, высококалорийны, с максимальным выходом смолы и представляют основную промышленную ценность прежде всего для сланцехимического производства.

Выход золы у среднезольных сланцев - до 70%. Теплота сгорания 8400-9600 кДж/кг, выход смолы на сланец 10-20%. В зависимости от химического состава зольный остаток может быть использован при производстве вяжущего, минеральной ваты, легкого наполнителя бетона и других строительных материалов.

Выход золы высокозольных сланцев - до 85%. Теплота сгорания 6300-7000 кДж/кг, выход смолы на сланец редко выше 10%. Промышленное использование сланцев сопряжено с большими техническими трудностями. Значительная часть таких сланцев - в основном резерв будущего при истощении ресурсов нефти и угля.

Разнообразен химический состав сланцевых зол. В одном случае в них преобладают окислы кремния и алюминия, в другом - карбонатный компонент и т. д. Выделены силикатный, алюмосиликатный, алюмосиликатно-карбонатный и карбонатный виды золы.

Силикатный вид золы характеризуется высоким содержанием SiO2+Al2O3. Кремнезем составляет основную часть золы (60-80%), а Al2O3 занимает подчиненное положение. Зола может найти применение при производстве каменных литых изделий, минеральной ваты, при изготовлении легкого наполнителя бетона и пластмасс.

Алюмосиликатный вид золы по SiO2+Al2O3 близок к силикатному, но отличается от него более повышенным содержанием А12О3 (20-30%). Зола может быть использована для тех же целей, что и силикатная. При отсутствии других сырьевых источников не исключена возможность ее использования для извлечения алюминия, а также получения на ее основе пуццоланового цемента.

Карбонатный вид золы содержит 25-50% окиси кальция, иногда 70. Химический состав золы позволяет рассчитывать на получение самостоятельного вяжущего. Кроме того, может быть получено высококачественное вяжущее при совместном помоле клинкера и золы. Зола пригодна для известкования кислых почв.

.4 КОНЦЕНТРАТЫ КЕРОГЕНА

Концентрат керогена представляет собой порошкообразную массу размером частиц органо-минеральной массы 0,14 мм. Состоит он из 70-90% ОВ и 30-10% минеральной массы. Плотность керогена 1,04-1,35, массовая доля влаги 3%, удельная поверхность керогена-70 4,97 мг/г.

Элементарный состав ОВ (%): С - 77,10-77,80, Н - 4,49-9,82, N - 0,30-0,44, О - 0.98-0,22, S - 1,68-10,22, CI - 0,60-0,96. Теплота сгорания 37100-37760 кДж/кг. Выход смолы 66%.

Кероген в органических растворителях не растворяется. Окисляется перманганатом калия и щелочной среде при нагревании, а также азотной кислотой. Не изменяет состава и свойств при воздействии на него соляной, фосфорной, серной и органических кислот. Не изменяет своего состава при взаимодействии с растворами щелочей. В кипящем пиридине растворяется до 10% керогена.

Признаки изменения внешнего вида керогена, выделение окклюдированных газов и прочее наблюдается при температурах нагревания 180200°С. При 200220°С начинается выделение углекислоты и воды. Активное разложение керогена происходит при 340360°С. Нагрев до 450500°С сопровождается образованием смолы 6567%, газообразных продуктов 10-15% и твердого сланцезольного остатка (полукокса) 615%.

Концентрат ОВ горючих сланцев обладает довольно высокими теплотой сгорания и выходом смолы. В отдельных случаях он может быть использован для получения высококачественных специфических сланцехимических продуктов.

Основная масса выпускаемого керогена (свыше 80%) применяется в резиновой промышленности при производстве некоторых резинотехнических изделий, а также при изготовлении многих полимерных материалов,

Кероген-70 используется в производстве эбонитовых автотранспортных моноблоков, искусственной кожи, резиноподошвенных изделий. Он также пригоден в качестве наполнителя и изготовлении различных термопластичных и термореактивных изделий пластических масс - линолеума и др.

Концентрат ОВ горючих сланцев пригоден в качестве наполнителя при производстве резинотехнических изделий (аккумуляторные баки и др.), линолеума, плит пластических масс для обшивки градирен и интерьеров служебных помещений, плит для изготовления лабораторной мебели и других целей. По своим физико-механическим и химическим свойствам, а также по экономическим показателям пластмассовые изделия, изготовленные с использованием керогена, выгодно отличаются от изделий с другими наполнителями. Облицовочные плиты и другие керогенсодержащие изделия могут быть изготовлены различных расцветок.

.5 ВЛАЖНОСТЬ

Горючие сланцы в природных условиях залегания содержат воду в различных состояниях: гигроскопическая влага, вола набухания, пленки смачивания и т. д. Практический интерес представляет влажность сланца в рабочем состоянии, т. е. когда его добывают и затем подвергают переработке и сжиганию.

Сланцы одних месторождений имеют влагу рабочую не выше 20% и перерабатываются или сжигаются без предварительной подсушки. Сланцы с более повышенной влажностью (свыше 25%) требуют предварительной подсушки. Сланцев с такой высокой влажностью немного в природе, но они имеются, и потому этот показатель при промышленной оценке приходится учитывать на всех стадиях геологоразведочных работ и в процессе промышленного освоения месторождения.

По содержанию влаги горючие сланцы различаются: и высокой влажностью - 20-30% и выше, со средней - 10-20% (разрабатываются и используются без предварительной подсушки), с низкой - менее 10%.

.6 КРЕПОСТЬ

Крепость горючих сланцев и вмещающих пород прежде всего имеет значение для выбора технологии ведения подготовительных и очистных подземных горных работ, связанных с добычей сланцев, средствами механизации добычи, дробления, размола и т. д. Физические свойства горючих сланцев наиболее изучены по Прибалтийскому бассейну, проведены специальные исследования физических свойств пород примышленного пласта Эстонского месторождения. Лучшим из методов определения коэффициента крепости пород (метод сжатия образцов правильной и неправильной формы, метод толчения и др.) является метод толчения Его достоинством является то, что он требует меньшего объема работ при подготовке проб к испытанию.

.7 ПЛОТНОСТЬ

Плотность горючих сланцев зависит от массовой доли ОВ, его распределения в минеральной массе, от ее минералого-химического состава. Чем выше содержание ОВ, тем меньше плотность. Так, плотность сланцев, содержащих свыше 30% керогена, 0,9-1,65, а сланцев с меньшим содержанием керогена - свыше 1,80.

На показатель плотности сланцев существенно влияют и степень их метаморфизма, а также различного рода включения. Например, почти все сланцы Прибалтийского бассейна содержат известковые включения, а также многочисленные известняковые скелетные остатки колоний мшанок, раковин брахиопод, щитков трилобитов и других морских организмов. В отдельных слоях сланцев содержится до 50% известняковых включений и окремнелых стяжений и конкреций. Поэтому в зависимости от содержания ОВ и конкреций изменяется и плотность сланца (1,50-1,99).

Рис. 9. Зависимость плотности от теплоты сгорания сланцев.

- зависимость между объемной массой OВ и теплотой сгорания; 2 - зависимость между объемной массой и теплотой сгорания горючих сланцев.

Плотность сланцев, содержащих 10-15% керогена, 2,2-2,3. Сравнение данных определения плотности прибалтийских сланцев с данными теоретического расчета показало их полную сходимость и подтвердило зависимость плотности от содержания ОВ в сланцах.

Чем меньше в сланцах ОВ, тем, естественно, выше их плотность. С повышением зольности на 1% плотность увеличивается на 0,01.

Чем выше теплота сгорания и чем больше содержание ОВ, тем меньше плотность сланцев, и наоборот (рис. 9), чем выше процент зольного остатка, тем, естественно, больше плотность сланцев.

Плотность сланцев зависит от суммы содержания золы (Л) и минеральной углекислоты (СО2): при Л+СО2 = 44,50% плотность сланцев 1,443, при 61,98% - 1,713, при 63,96% - 1,759, при 69,71% - 1,863, при 75,14% - 2,013, при 99,57% - 2,698.

5.8 ПОРИСТОСТЬ

Пористость - объем пор в единице объема горючих сланцев большинства известных месторождений не изучена, тогда как данный показатель имеет немаловажное значение прежде всего при термической переработке. Пористость сланцев в основном находится в прямой зависимости от микрокомпонетного состава ОВ и химико-минералогического состава минеральной массы, текстуры и структуры сланцев. Пористость сланцев песчано-глинистой минеральной части иная, чем силикатной или карбонатной. На нее также влияет наличие в сланцах включений различного состава. Сланцы отдельных слоев одной и той же полезной толщи могут иметь различную пористость.

Микропористость сланцев оказывает существенное влияние на скорость диффузии газов внутрь кусков сланцев полукоксования. Медленная диффузия газов и водяных паров удлиняет процесс термической переработки сланцев. С увеличением содержания ОВ в сланце пористость последнего уменьшается.

Пористость горючих сланцев зависит от степени однородности их минералогического состава, количества и состава ОВ, характера и количества различных включений. ОВ сланцев в большинстве своем имеет менее пористую структуру, чем, например, вмещающая порода известняк.

.9 ПРЕДЕЛЫ ПРОЧНОСТИ

Прочностные свойства горючих сланцев так же, как и пористость, зависят от многих факторов. Предел прочности на сжатие прибалтийских сланцев 283-396 кгс/см2.

Сланцы с преобладанием глинистой составляющей имеют меньший предел прочности, чем сланцы известняковые. Сростки ОВ и известняков обладают почти такими же прочностными свойствами, как и сами известняки.

.10 ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Выбор конструкции агрегатов и оптимального теплового режима термической переработки горючих сланцев во многом зависит от их теплофизических свойств: теплоемкости, температуропроводности и теплопроводности.

Теплоемкость зависит от содержания ОВ. Для прибалтийского сланца влажностью 1,54% удельная теплоемкость находится в пределах 0,992-1,109, для сланцевого кокса - 0,080-0,887 и для концентрата, содержащего 91% керогена, - 1,310-1,03 кДж/(кг*оС). ОВ обладает более высокой теплоемкостью, чем минеральная составляющая.

Температуропроводность сланца в образце при нестационарном тепловом режиме при 200-450° С практически остается постоянной и затем повышается с определенной скоростью, зависящей от крупности сланца.

Теплофизические свойства горючих сланцев зависят не от содержания ОВ, а от формы и размера кусков. При переходе от шара и цилиндра к пластине температура разложения значительно снижается, а при тонко раздробленном слое резко возрастает. Время разложения кусков сланца размером 100 мм в рабочей части шахты полукоксования не превышает 4 ч, тогда как куски размером 200 мм за 4 ч не разлагаются, даже если начальную температуру теплоносителя поднять до 700°С.

На полноту термического разложения горючего сланца и выход продуктов полукоксования в промышленных агрегатах оказывает влияние как процентное содержание ОВ, так и размер кусков сланца. Потери физического тепла при переработке сланца вызываются также за счет содержания в нем воды. Чем больше в сланце влаги, тем больше затрат тепла на его подсушку.

5.11 РАДИОАКТИВНОСТЬ СЛАНЦЕВ

Горючие сланцы некоторых месторождений обладают радиоактивными свойствами за счет присутствия урана или других минералов. Повышенной радиоактивностью обладают сланцы Швеции, Грин-Ривер США за счет присутствия урансодержащих минералов. Последние содержатся также в сланцах штата Монтана, Южная Дакота и других районов США.

Изучение радиоактивных свойств сланцев имеет практическое значение прежде всего относительно возможного извлечения из них урана, охраны здоровья лиц, занятых па добыче и переработке сланцев и при использовании продуктов переработки.

Горючие сланцы большинства известных месторождений не изучены в отношении их радиоактивных свойств, тогда как некоторые из них могут оказаться источником извлечения урана.

6. ПРОМЫШЛЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ МИНЕРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

Горючие сланцы как комплексное органо-минеральное сырье в большинстве своем на 50-80% состоят из неорганического вещества, называемого минеральной массой. Обычно она представляет собой тонкодисперсную смесь с ОВ и неотделима от него в процессе добычи горючих сланцев. Если и удается освободиться от нее, то только при применении глубокого и сложного обогащения сланцев, что значительно удорожает себестоимость продукции. Сжигание и термическая переработка горючих сланцев сопровождаются образованием зольных отходов в виде тонкозернистой циклонной золы или кусковатого не нацело разложившегося сланца при полукоксовании, так называемого полукокса камерных, газогенераторных и прочих печей термической переработки. Отходы пород образуются и в процессе добычи сланцев.

В зависимости от масштабов добычи сланцев различного рода минеральные отходы достигают значительных размеров в отвалах предприятия, Затрачиваются немалые денежные средства на их транспортирование, что удорожает себестоимость основной продукции. Наличие таких отвалов в населенных пунктах нежелательно с экологической точки зрения, поскольку это ведет к загрязнению окружающей среды и непроизводительному использованию земельных участков.

.1 СЛАНЦЕЗОЛЬНОЕ ВЯЖУЩЕЕ

Сланцезольное вяжущее производится в Германии на основе золы от сжигания посидонских сланцев. Последние бедны ОВ (6-18, в среднем 12%). Химический состав минеральной части горючих сланцев непостоянен. Особенно резкие колебания в содержании характерны для SiO2 - 12-51% и СаО - 18-60%. Теплота сгорания 3700-4200 кДж/кг. Сланцы сжигаются в ретортах Лурги в псевдоожиженном слое при 810-1000°С. В результате сжигания сланцев зольный остаток имеет следующий химический состав (%): п.п.п. - 8,21, SiO2 - 34,40, А12О3 - 9,87, СаО - 32,20, MgO - 1,67, SO3 - 9,54, S - 0,20.

Наиболее высокая экономичность разработки и переработки сланцев достигается при условии полного использования сланцезольного остатка в качестве гидравлического вяжущего. При годовой переработке горючих сланцев 246 тыс.т образующийся сланцезольный остаток 190 тыс.т полностью идет на изготовление цемента путем совместного помола клинкера (30%) и золы (70%). Цемент имеет марку 400.

Сланцевая зола месторождений Прибалтийского бассейна содержит довольно высокий процент окиси кальция - 40-45% и выше, свободной окиси кальция 10-20, в отдельных фракциях 25-30%. Такие золы обладают вяжущими свойствами, полностью или частично могут заменить портландцемент марок 300 и 400 при производстве некоторых видов строительных изделий и материалов.

Сланцевая циклонная зола может также найти применение в качестве минерального наполнителя в пластмассах с полной или частичной заменой таких известных наполнителей, как древесная мука, барит, тальк и каолин. Кроме того, сланцевые золы соответствующего химического состава можно использовать для каменного литья, получения стеклокристаллического материала типа ситалла, а также для производства легких наполнителей бетона - аглопорита, карпазита и др.

Добыча горючих сланцев многих месторождений сопровождается попутным извлечением пород кровли или межпластовых прослоев промышленного пласта. Нередко соотношение горючих сланцев и попутно добываемых так называемых пустых пород составляет 1:1 или даже 1:2. Эти породы в большинстве своем можно использовать в дорожном строительстве или при производстве различных строительных материалов и изделий (рис.10).

Рис. 10. Схема промышленного использования зольных остатков сжигания и термической переработки горючих сланцев Ленинградского месторождения Прибалтийского бассейна.

На основе летучих сланцевых зол, полученных при сжигании на. электростанциях прибалтийских сланцев, разработана технология получения вяжущих материалов различной активности:

кукермит получается в результате тонкого размола мелкой фракции золы, размером частиц 15-30 мкм, до размера частиц с удельной поверхностью не менее 3500 см2/г. По своим вяжущим свойствам кукермит отвечает марке цемента 200. Расход воды для получения кукермитного теста нормальной консистенции составляет 27-32% от массы вяжущего. Начало схватывания кукермита от 45 мин до 2 ч, конец от 2 до 6 ч;

кукермит-цемент изготавливается при совместном размоле мелкой фракции летучей золы (65-80%) и предварительно измельченного клинкера (35-20%). Расход воды 26-28%. Начало схватывания цемента 1-2, конец 2-6 ч. Кукермит-цемент отвечает требованиям марок 200-300;

специальный портландцемент получается путем совместного помола летучей золы мельчайшей фракции размером частиц меньше 15 мкм (20-30%) и цементного клинкера (70-80%). Портландцемент быстротвердеющий, высокомарочный - 400-500. Начало схватывания 2-3,5, конец 4-6 ч.

Крупная фракция золы (30-150 мкм) пригодна для изготовления ячеистого бетона и силикатных изделий, а также в сельском хозяйстве - для известкования кислых почв.

.2 ЦЕМЕНТ НА БАЗЕ СЛАНЦЕВОГО ПОЛУКОКСА

Термическая переработка горючих сланцев в газогенераторных, камерных и других печах сопровождается образованием коксозольного остатка (сланцевого полукокса) в большом количестве. Полукокс по химическому составу относится к карбонатному сырью. Результаты исследования полукокса показали, что его можно применять в качестве одного из основных сырьевых компонентов при производстве цементного клинкера во вращающихся печах по мокрому способу. Марка цемента 500.

Сланцевый полукокс валовых проб в основном характеризуется постоянством химического состава (табл.3), кроме фракции 15 мм. Сланцевый полукокс имеет следующий фракционный состав (%): фракция +40 мм - 35, фракция 15-40 мм - 50 и фракция 15 мм - 15.

Таблица 3. Химический состав сланцевого полукокса, %

Фракция кокса 25-40 мм с теплотой сгорания 2900-5000 кДж/кг состоит из остатков неизмененного известняка и сланца. Более мелкая часть (15-25 мм) в основном состоит из остатков недоразложившегося сланца и небольшого количества кусков измененного известняка. Содержание СаО в этом коксе меньше, чем в крупном коксе, но несколько больше SiО2, А12О3, К2О, SO3.

.3 ПЛАВЛЕНЫЙ ЦЕМЕНТНЫЙ КЛИНКЕР (ЭНЕРГОКЛИНКЕР)

Сжигание прибалтийского сланца в пылевидном состоянии на электростанциях сопровождается образованием летучек золы, 80% которой проходит через весь газовый тракт котельных агрегатов. Интенсивный износ и образование плотных зольных отложений создают большие трудности в работе электростанции и удорожают стоимость выработки электроэнергии. Химический состав минеральной части сланцев и межпластовых прослоев карбонатных пород промышленного пласта позволяет сжигать сланец с жидким шлакоудалением.

Разработанный новый метод сжигания прибалтийского сланца, богатого окисью кальция, с жидким шлакоудалением предусматривает комплексное использование органической и минеральной частей топлива с получением энергии и плавленого клинкера. Данный метод позволяет использовать для энергетических целей сланец валовой выемки с теплотой сгорания 6280 кДж/кг. Вытекающий из топки расплав гранулируется и затем транспортируется в помольный цех. При этих условиях отпадает необходимость в золоотвалах и не загрязняется воздушное пространство.

На основе гранулированных сланцевых шлаков с содержанием стекловидной фазы 25%, портландцементного клинкера 30-50% и гипса 5% получается шлакопортландцемент, отвечающий маркам 400 и 500.

6.4 МИНЕРАЛЬНАЯ ВАТА И ИЗДЕЛИЯ ИЗ НЕЕ

Минеральная вата и изделия из нее находят широкое применение в качестве теплоизоляционного материала. Для ее изготовления используют различные горные породы; диабаз, базальт, гранит, сиенит, сланцы, известняки и др., а также металлургические шлаки, получаемые при выплавке металлов. Во многих случаях для получения высококачественной ваты составляется двух- или трехкомпонентная смесь сырья. При образовании волокон наряду с целым рядом других факторов большое значение имеет вязкость расплава. Наилучшее качество ваты из горных пород и шлаков получается при вязкости расплава не более 5 пуаз при 1500оС и 15 пуаз при 1400оС.

Таблица 4. Химический состав сырьевых компонентов минеральной ваты, %

Большая часть горных пород, добываемых попутно с горючими сланцами, или отходы обогащения сланцев могут найти применение в производстве минеральной ваты высокого качества. Для этих целей пригодны известняки-отходы добычи и сланцевый кокс термической переработки горючих сланцев. В качестве кислой добавки можно использовать глины, бой силикатного кирпича или керамических труб и других изделий. Химический состав сырьевых компонентов приведен в таблице 4.

.5 СЛАНЦЕЗОЛЬНЫЙ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ

Как показали исследования золы, полученной от сжигания горючих сланцев, её можно использовать в качестве основного сырья для получения стеклянных и стеклокристаллических изделий. Зола является легкоплавким сырьем.

Для получения кислотостойких изделий необходимо к сланцевой золе добавлять кислую добавку - кварцевый песок 20%. Кислотостойкость стеклянных образцов довольно низкая (99,0%) при сохранении свойств остальных показателей. Такое стекло по своим физико-механическим свойствам пригодно для производства различных строительных изделий, в том числе облицовочных плиток.

Кристаллизация сланцезольного стекла при соответствующих температурных режимах и времени выдержки позволяет получать стеклокристаллический материал - ситалл, обладающий высокими физико-механическими свойствами.

Рис. 11 Схема производства теплоносителя.

Сланцезольный стеклокристаллический теплоноситель представлен в основном двумя минералогическими фазами - геленитом (44%) и волластонитом (56%).

Схема производства гранулированного сланцезольного теплоносителя представлена на рисунке 11.

.6 СЛАНЦЕЗОЛЬНЫЙ ГАЗОЗОЛОСИЛИКАТ

Зола пылевидного сжигания ленинградского горючего сланца центральной электростанции из мультициклонов с сухим золоудалением обладает повышенными вяжущими свойствами. Кроме того, по гранулометрическому составу она является тонкодисперсным материалом и не требует дополнительных, затрат на механическую подготовку (дробление и пр.). Для изготовления конструктивного и теплоизоляционного газозолосиликата применялись вяжущее (зола), наполнитель (кварцевый песок), газообразователь (алюминиевая пудра), добавки (стабилизаторы).

Основным фактором, определяющим вяжущие свойства золы, является наличие клинкерных минералов и активной глинистой части, обладающей свойствами геленита. При взаимодействии глинистой части со свободной известью золы при твердении сланцезольных растворов возникают гидросиликаты и гидроалюминаты. Происходит образование быстро гидратирующейся окиси кальция.

Зола молотая гашеная в автоклаве при избыточном давлении 9 кгс/см2 ускоряет процесс гидратации силикатов, алюминатов, ферритов кальция и свободной извести, т.е. создает условия для быстрейшего протекания процесса твердения сланцезольных вяжущих. Прочность газозолосиликата возрастает с увеличением степени дисперсности исходных компонентов. Особенно благоприятное влияние на повышение прочности газозолосиликата оказывает совместный помол золы и песка.

горючий сланец минеральный промышленный

Таблица 5. Оптимальные составы газозолосиликатов

*От сухой массы

Оптимальный состав масс теплоизоляционного и конструктивного газозолосиликата приведен в табл.5.

Технология производства газозолосиликата осуществляется по схеме, приведенной на рисунке 12.

Рис 12. Технология производства газозолосиликата

Производство газозолосиликата на основе сланцевой золы исключает необходимость применения при изготовлении строительных изделий такого дорогостоящего вяжущего, как портландцемент. Экономия портландцемента на 1 м3 бетона составит 300 кг. Производство газозолосиликата выгодно отличается от производства газобетона по капиталовложениям на 1 м3 изделий и затратам на создание сырьевой базы завода.

.7 ДРЕНАЖНЫЕ СЛАНЦЕЗОЛЬНЫЕ ТРУБЫ

Легкая сланцевая зола пылевидного сжигания горючего сланца Ленинградского месторождения обладает вяжущими свойствами и по этому показателю пригодна для изготовления дренажных труб.

В процессе изготовления этих труб в качестве исходного компонента применялась негашеная зола пылевидного сжигания ЦЭС; взятая из-под мультициклонов с сухим золоудалением.

После автоклавной обработки образцы из негашеной золы увеличились в объеме, образовали глубокие трещины, а некоторые рассыпались в порошок. Это объясняется тем, что при запарке происходит процесс гашения извести, что вызывает неравномерность изменения объема образцов. Применение же гашеной золы приводит к тому, что устраняется неравномерность изменения объема образцов и, кроме того, увеличивается прочность изделий, так как возрастает скорость гидратации и образования гидросиликата кальция.

При помоле золы (до 4700 см2/г) повышается ее механическая прочность по сравнению с образцами из немолотой гашеной золы, увеличивается поверхность соприкосновения реагирующих веществ и возрастает количество освоенного кварца. Совместный помол гашеной золы и песка (по удельной поверхности 3000 см2/г) при автоклавной обработке приводит также к повышению механической прочности по сравнению с образцами из немолотой золы.

Опытные образцы дренажных труб изготовлялись методом горизонтального вибрирования из шихты состава (%): гашеная немолотая зола 30-40, кварцевый песок 70-60, совместного помола; формовочная влажность 14-16%. Размер труб (мм): внутренний диаметр - 85, наружный - 125, длина - 500. Дренажные трубы изготовлялись без арматуры, канализационные - с арматурой.

Рис.13. Схема изготовления дренажных труб.

Сланцевая зола пылевидного сжигания горючего сланца как материал, обладающий вяжущими свойствами, может быть использована для производства золо-песчаных дренажных труб. Наиболее эффективным является способ горизонтального вибрирования с последующей гидротермической обработкой труб в автоклаве. Трубы изготавливаются по схеме, изображенной на рисунки 13.

.8 СЛАНЦЕЗОЛЬНЫЙ АГЛОПОРИТ

С развитием промышленного и жилищного строительства возрастает потребность в легких наполнителях, используемых для производства легкого бетона. Легкие бетоны, изготовленные на основе пористых наполнителей, повышают теплотехнические качества ограждающих конструкций, снижают вес здания и тем самым удешевляют стоимость их строительства. Для производства искусственных наполнителей используется природное сырье: глина, суглинок, лсссы, диатомиты и другие породы, а также различные топливные отходы.

Поисковые исследования показали, что практический интерес для производства искусственного пористого наполнителя методом агломерации представляет зола - унос от пылевидного сжигания-горючего сланца на ЦЭС сланцеперерабатывающего комбината «Сланцы». По сравнению с другими зольными остатками она обладает более постоянным минералогическим, химическим и гранулометрическим составом и не требует дополнительных денежных затрат на подсушку и помол. Единственное ее отрицательное свойство - сравнительно высокое содержание окиси кальция (36,0-38,0%), вследствие чего для производства легкого наполнителя требуется вводить в шихту кислую корректирующую добавку.

Рис.14. Технологическая схема изготовления аглопорита.

Многочисленными опытами был установлен следующий оптимальный состав шихты, обеспечивающий получение сланцезольного аглопорита (%): зола - 53,0, глина - 30,0, возврат - 10,0, антрацит - 7 0 Влажность шихты 18-19,5% (рис.14).

На физико-механические свойства и процесс производства аглопорита существенное влияние оказывают степень увлажнения шихты, количество топлива и возврата в шихте, воздушный режим спекания и др. Добавка в шихту глины и возврата заметно повышает прочностные свойства аглопорита.

.9 СЛАНЦЕЗОЛЬНЫЙ АГЛОПОРИТОБЕТОН

Для производства сланцезольного аглопоритобетона приготовляется смесь из аглопорита, цемента и воды (табл.6). Крупные фракции аглопорита, мелкий заполнитель и часть воды (2/3) предварительно перемешиваются в мешалке в течение 3-4 мин, а затем добавлялись вяжущее, остальная вода и проводится дальнейшее перемешивание. Далее смесь укладывается в металлические формы. Формование проводится в лабораторных условиях на вибростоле. Продолжительность вибрирования не превышает 60 с, пригруз 45-55 г/см2.

Таблица 6. Расход материала для смеси сланцезольного аглопоритобетона, кг

Таблица 7. Свойства аглопоритобетона на основе сланцезольного аглопорита

Сланцезольный аглопоритобетон характеризуется физико-механическими свойствами, приведенными в таблице 7. Он может найти широкое применение в жилищном строительстве.

.10 МИНЕРАЛЬНЫЕ ОТХОДЫ ДЛЯ ИЗВЕСТКОВАНИЯ КИСЛЫХ ПОЧВ

Для известкования кислых почв могут быть использованы сланцевые золы карбонатного состава и карбонатные породы, отходы добычи и обогащения сланцев. Зерновой состав золы циклонов, полученной в результате сжигания электростанциями горючих сланцев карбонатного состава, менее 150 мкм, и потому она не требует дополнительного размола. Она содержит 11-20% свободной извести, а также клинкерные минералы, 3,98-5% окиси калия. В золе содержатся многие-микроэлементы, в частности титан, стронций, ванадий, медь, свинец, никель, гелий, иттрий, хром, аирконий, стронций, барий и другие в количествах от 0,0001 до 0,01 и даже 0.1 %.

Сланцевая зола, богатая микроэлементами (медь, молибден, кобальт, марганец и др.), оказывает благоприятное воздействие на урожай сельскохозяйственных культур. Кроме циклонной сланцевой золы для известкования кислых почв можно использовать известковую муку, приготовленную путем размола карбонатных пород - отходов добычи или отходов обогащения сланцев.

6.11 ЩЕБЕНЬ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ

Попутно добываемые со сланцами горные породы во многих случаях можно использовать в качестве щебня для строительных работ. Это относится прежде всего к кремнистым и карбонатным породам.

Известняки, содержащие повышенный процент ОВ, а также мергелистые породы, обладают большим водопоглощением, чем доломитизированные разновидности известняков, и меньшим коэффициентом размягчения.

Испытания прочности известняков на сжатие в сухом, насыщенном водой состоянии и после попеременного замораживания и оттаивания образцов при температуре ±15°С показали, что доломитизированные известняки «плита» и «кулак» обладают более высокими качествами, чем мергелистые разновидности. Известняки по физико-механическим свойствам отвечают требованиям действующей нормативно-технической документации на щебень для дорожного строительства, строительных работ и как наполнитель для бетона. Кроме того, они пригодны в качестве бутового камня.

7. ПЕРЕРАБОТКА ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

.1 ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Горючие сланцы - трудное по своей природе технологическое сырье. Извлечение органической составляющей сегодня возможно только за счет термической переработки сланца, которая понимается как нагревание сырья до тех температур, когда происходят полная деструкция керогена, причем одна часть керогена превращается в кокс, другая - в летучие вещества (смолу, газ), которые за счет физической конденсации разделяются и используются раздельно. Этот простой принцип переработки может осуществляться весьма различными методами, выбор которых определяется свойствами исходного сырья.

. Нагреванию подвергается не только кероген, но и минеральная составляющая горючих сланцев. Известно, что чем больше этой части, тем больше тратится на ее нагрев тепла и, следовательно, существует какая-то граница содержания минеральной составляющей, выше которой переработка сланца становится экономически неоправданной из-за некомпенсированных расходов тепла. Одновременно степень неорганической минерализации горючих сланцев существенным образом влияет и па выбор методов их переработки термическим способом. Таким образом, эта сторона дела является одной из причин многообразия в области сланцепереработки.

Существуют методы обогащения горючих сланцев, в том числе и такие, при которых содержание органической части может быть доведено до 90% и выше. В этом случае мы имеем дело уже с совершенно новым видом сырья, для которого требуются свои технологические решения.

. Вторым решающим обстоятельством является гранулометрический состав сырья. В зависимости от техники добычи сланца сырая масса добытого материала весьма разнообразна по размеру кусков - от тончайшей пыли до крупных многокилограммовых кусков.

. Цели переработки (например, использование минеральной составляющей, извлечение ценных сопутствующих компонентов, производство медицинских препаратов и др.) определяют подбор технологии.

4. На технологию переработки горючих сланцев существенно влияют масштабы производства. Существуют способы, хорошо решающие переработку с высоким химическим и тепловым к.п.д., однако при увеличении масштабов переработки труднее развивать такую технологию.

. Генетический тип сланца также в значительной степени влияет на выбор технологии. Так, например, ордовикские сланцы Прибалтийского бассейна с высоким выходом летучих, с высоким содержанием кислородных соединений потребовали для переработки своеобразной технологии и техники.

.2 МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ

Реторты. Основные недостатки - малая производительность и внешний, через металлическую стенку, обогрев. Этот тип сланцеперерабатывающих устройств вырос на опыте каменноугольных газовых заводов, где, правда, применялись реторты горизонтальные и огнеупорные из-за высоких температур газификации. Расположение реторт, собранных в блоки, вертикальное, загрузка и выгрузка практически непрерывная - отдельными порциями.

Сланец поступает сверху вниз, обогрев - через стенки. Реторты чугунные, производительность 8-12 т/сут.

Интересна по замыслу реторта Давидсона. Она была обстоятельно опробована для прибалтийского сланца в Эстонии. Производительность реторт 25-50 т/сут, Использовался сланец рядовой с выходом смолы до 25% на сухой сланец. Реторты Дэвидсона давали лучшую по качеству сланцевую смолу с максимальным по сравнению с другими агрегатным выходом.

Туннельные печи. Наиболее интересными по переработке сланцев являлись туннельные печи. Эти достаточно мощные агрегаты производительностью до 500 т/сут работали на довольно широких гранулометрических фракциях, практически используя весь добытый сланец. Туннельные печи вобрали в себя весь накопленный опыт переработки горючих сланцев в пришлом. Конструкция печей, их принципы работы могут подойти к любому типу сланцев и к любому гранулометрическому составу. Имея несколько печей, можно комбинировать и подбирать режимы для всевозможных случаев переработки.

Электроемкость туннельных печей остается во всех случаях чрезмерно высокой, в то время как другие методы, имея уже лучшие экономические показатели, продолжают развиваться и совершенствоваться за счет простоты обслуживания, меньших затрат на энергию и т. д.

Шахтные генераторы. Зародились на базе широко распространенных газогенераторов - агрегатов для производства низкокалорийного отопительного газа. Сочетание газогенератора с шахтой полукоксования оказалось весьма плодотворным для переработки сланцев. В шахте полукоксования за счет тепла газогенераторного газа, идущего на шахты газификации полукокса, в свою очередь поступающего из шахты полукоксования, происходит деструкция керогена. Таким образом, при очень простом конструктивном решении используется тепло сжигания углерода полукокса, с сохранением физического тепла нагретой минеральной части, на частичный подогрев воздуха в шахте газификации

На рис. 15 представлены генераторы, изготовленные фирмой «Пинч» для Эстонии (Кохтла-Ярве) в 1925 г. Подача воздуха - за счет разрежения на выходе продуктов полукоксования. Производительность 35 т/сут. Материал генератора - кладка огнеупорная в стальном кожухе. Между шахтами полукоксования и газификации - пережим для регулирования подачи теплоносителя на шахты газификации и в шахту полукоксования. Вращающийся поддон, на который беспрерывно поступает из шахты полукоксования зола («огарок»), заполнен водой и разгружается в вагонетки. Газы полукоксования и пары смолы, разбавленные газом газификации, следуют в систему конденсации.

Шахтный генератор является наиболее перспективным агрегатом для развития основного направления сланцеперерабатывающей промышленности - получения жидкого топлива, тем более что наряду с целевым продуктом - смолой - в генераторах получается 1000 м3/т газообразного топлива (около 10% в расчете на исходное потенциальное тепло), что вполне обеспечивает энергетические потребности предприятий по переработке горючих сланцев.

Однако генераторы не решают другой неизбежно возникающей проблемы: использование сланцевой мелочи и минеральной массы сланцев. Даже в самых оптимальных условиях подбора гранулометрического состава для переработки в газогенераторах более 50% добытых из недр сланцев нельзя переработать с помощью существующей в настоящее время техники полукоксования топлив. До сих пор мелочь используется как топливо для электростанций, что является вынужденным решением. При сжигании таких топлив образуются огромное количество пыли, засоряющей атмосферу, и плавкие шлаки, затрудняющие работу тепловых установок.

Рис. 15. Генераторы.

а - пережимные, типа «Пинч»; 6- цилиндрические, типа «Кохтла-Ярве»

Появление в технологических схемах современной химии процессов «кипящего» и «псевдоожиженного» слоев повлекло за собой многочисленные исследования по применению аналогичных методов переработки мелкозернистого сланца. В этих случаях в качестве теплоносителей применялись либо горючие топочные газы, либо чаще всего воздух - активный компонент газификации и сжигания части сланца в слое теплоносителя в целях их полукоксования. Все эти многочисленные исследования и испытания на полупромышленных установках не получили дальнейшего развития, слишком очевидно было их несоответствие задачам переработки сырья (бедного по содержанию углерода) теплоносителем (бедным по содержанию кислорода). В этих условиях мелкие фракции горючего сланца переходили в поток теплоносителя, унося с собой и образовавшуюся при этом смолу. Дальнейшее разделение их было невозможно, и сам процесс был не оправдан. Переработка же сланцевой мелочи на газ при повышенных температурах (чистая газификация) дает бедный и очень запыленный газ.

Решающим показателем процесса является температура смеси в реакторе. Повышение или понижение температуры в реакторе может быть достигнуто соотношением теплоноситель - зола или форсированием подогрева теплоносителя в аэрофоптапной топке. Так, были разработаны «смоляной» и «газовый» режимы. Выяснилось, что форсировать подогрев теплоносителя можно только в пределах 100-150оС, поэтому основным способом изменения режима является соотношение теплоносителя и сланца. Основной смоляной режим проводится при температуре 480-485°С. Кроме того, серьезным препятствием для форсирования температур в топке является шлакование теплоносителя, что практически начинается уже при 850° С, в то время как при температуре ниже 750° С снижается выжигание углерода в полукоксе, что ведет к ухудшению к. п. д. процесса в целом.

Газосжигательный процесс. Газосжигательная схема является модификацией советских смоляных генераторов, применяемых на комбинате в г. Кохтла-Ярве. Если генераторы работают на определенной фракции по крупности сланца, то газосжигательные реторты потребляют рядовой раздробленный сланец.

Схема процесса «Юпион-Ойл» является оригинальной и не имеет аналогов в практике какой-либо страны. Это единственная схема, где подача сланца идет снизу вверх, а теплоноситель - сверху вниз. Раскаленная зола разгружается сверху, а проходящий через нее воздух нагревается сначала за счет тепла золы, а затем за счет дожита углерода в полукоксе. Схема предложена в начале 50-х годов, неоднократно испытывалась, в том числе на установке 1200 т/сут.

Подземная газификация сланцев. Идея переработки сланца в слое весьма привлекательна. В этом случае нет необходимости извлекать из недр зольные компоненты сланца, особенно если их состав не позволяет квалифицированно их использовать. Отпадает большой объем горных, практически бесполезных работ. Сланцевые месторождения работают как нефтяная скважина. К сожалению большой опыт такой переработки в условиях прибалтийских сланцев был совершенно бесполезным. Сланцы залегают относительно неглубоко, и прикрывающие их породы не герметичны. Идея эта после долгих бесполезных усилии была окончательно отброшена.

Все рассмотренные выше способы переработки горючих сланцев предусматривали только одно направление: получение смолы - заменителя нефти. В то же время в широком плане горючие сланцы - энергетическое сырье и как таковые должны быть использованы и по другим направлениям. Одно из таких направлений - производство газов для энергетического использования. Любой метод термической переработки сланцев связан с получением горючих газов, поэтому любой метод производства смолы является одновременно и методом производства газа.

Рис. 16. Камерная печь типа VIII.

- загрузочное устройство, гидрозатвор и бункер; 2 - отводный дымовой канал; 3 - верхний газоотвод; 4 - вертикальные огневые каналы; 5 - распределительный канал; 6 - газосборочный канал; 7 - газоотвод; 8 - ввод пара, воздуха или кислорода; 9 - экстрактор; 10 - стол камеры; 11 - верхний дымовой канал; 12 - камера; 13 - регенератор; 14 - газо-воздушный канал; 15 - коллектор отопительного газа; 16 - боров; 17 - воздушный вентилятор; 18 - газовые каналы; 19 - дутьевой коллектор; 20 - дутьевые каналы.

Следует сказать и о специальных методах производства газа из сланцев как целевого процесса. Еще до Великой Отечественной войны в СССР был разработан процесс производства бытового газа для газоснабжения городов. Этот метод был реализован в 1948 г. на двух крупных предприятиях - в ЭССР (Кохтла-Ярве) и в Ленинградской области (г. Сланцы). Метод камерных печей основан на нагревании непрерывно движущегося сверху вниз сланца крупностью 25-125 мм в специальных камерных печах, объединенных в батареи и блоки аналогично коксовым печам. Обогрев внешний. Конструкция печей, система обогрева аналогичны коксовым печам. Основное отличие камерных печей от коксовых - непрерывность работы.

Конструкция печей приведена на рис. 16. Коксование сланца происходит в камере, высота которой около 10, длина 4, ширина внерху 4,6, внизу 5,1 м. Обогревательные простенки разделены на девять вертикальных каналов, в которых горит газ, полученный в сланцевых генераторных установках, Таким образом, камерные печи и сланцевые смоляные генераторы составляют единый комплекс. Камеры объединены в батареи, в каждой батарее 23 камеры. Две батареи составляют полублок, являющийся самостоятельной единицей. Два полублока объединяются в блоке, имеющем общий бункер сланца и приемные питатели коксозольного остатка.

.3 ТЕХНОЛОГИЯ ОБОГАЩЕНИЯ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

Засорение в процессе добычи горючих сланцев вмещающими породами, прослойками известняков и глины свидетельствует о целесообразности развития комплексного использования сланцев на основе их предварительного обогащения.

На рис. 17 представлена технологическая качественно-количественная схема обогащения прибалтийских сланцев.

Рис. 17. Качественно-количественная схема обогащения горючих сланцев

Исходные сланцы, поступающие на обогащение, имеют зольность около 45 %, плотность от 1300 до 1800 кг/м3 и теплоту сгорания Q = 9500 кДж/кг. Они подвергаются классификации с выделением класса более 125 мм, который поступает на тяжелосредное обогащение в магнетитовой суспензии при плотности разделения 2130 кг/м3. Класс менее 125 мм повторно классифицируется на грохоте с отверстиями размером 25 мм. Крупный класс (25-125 мм) после обесшламливания обогащается в тяжелосредном сепараторе СКВС32 при плотности разделения 2130 кг/м3. Класс менее 25 мм является конечным продуктом обогащения. Концентрат класса более 125 мм дробится и затем классифицируется по граничной крупности 25 мм. Класс более 25 мм объединяется с классом 25-125 мм и является конечным продуктом для технологической переработки при Q = 14900 кДж/кг. Класс менее 25 мм объединяется с отсевом 0-25 мм и направляется на тепловую электростанцию в качестве энергетического топлива с Q = 12600 кДж/кг. Положительные результаты получены при использовании для обогащения сланцев радиометрического метода на исходном продукте крупностью 50-200 мм с Q = 590 кДж/кг, получен концентрат с выходом γк= 35,8 % и Q = 1240 кДж/кг и отходы с выходом γк = 64,2 % и Q = 230 кДж/кг.

.4 КОМПЛЕКСНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

Перспективным является использование горючих сланцев для получения из них концентратов с высоким (до 90 %) содержанием керогена. Получение такого концентрата может быть осуществлено флотацией исходного сланца, измельченного до крупности 90-95 % класса -0,074 мм.

Недостатком действующих сланцеобогатительных фабрик является несовершенство водно-шламовых схем, в результате чего ежегодно в наружные шламовые отстойники (НШО) сбрасывается большое количество (600 тыс.т) сланцевых шламов с теплотой сгорания 2,56 МДж/кг. Осаждение, осветление, уплотнение и обезвоживание шламов в НШО осуществляются в течение 3-5 лет. При этом в связи с окислением горючей массы сланца под влиянием природных факторов значительно снижается его теплота сгорания. Кроме того, сточные воды обогатительных фабрик при длительном контакте со шламом приобретают повышенную кислотность (рН до 4), а дренирующая вода заболачивает прилегающие к НШО земли. Поэтому при реконструкции действующих и строительстве новых фабрик предусматривается организация замкнутого водооборота с применением радиальных сгустителей, флокуляции шламов и их обезвоживанием в осадительных центрифугах.

Кероген-70 является ценным сырьем для получения различных химических продуктов. Он находит все более широкое применение в качестве наполнителя при производстве кислотоупорных и щелочеупорных пластических масс, для получения специальных сортов эбонита, резинотехнических изделий, полностью или частично заменяет дорогостоящие наполнители (древесную муку, полевой шпат, асбест). Применение керогена позволяет уменьшить расход дефицитных фенолформальдегидных смол, не ухудшая качества изделий, снизить расход материалов и их себестоимость при производстве пластмасс и резинотехнических изделий. Разработана технология получения из керогена жирных дикарбонатовых кислот. Эти кислоты находят широкое применение в качестве исходного сырья для производства пластификаторов и полиэфирных смол. Кроме того, разработана технология термопластификации керогена. Получаемый продукт - термобитум - может заменить формальдегидные смолы в производстве пенопластов и антикоррозионных лаков.

Разработана технологическая схема глубокого обогащения горючих сланцев для получения керогена-70. По этой схеме обогащаются сланцы крупностью 0-30 мм с содержанием в них 30-36 % керогена. Конечный концентрат должен содержать 70-75 % керогена.

Получение керогена возможно также с помощью центробежного разделения горючих сланцев в тяжелых жидкостях. Применение этого метода целесообразно при сооружении обогатительной установки в едином комплексе с установкой по окислению керогена азотной кислотой. В этом случае отходы химического цеха могут быть использованы для получения водных растворов нитрита кальция, применяемого в качестве тяжелой жидкости при центробежном тяжелосредном обогащении горючих сланцев.

Практика эксплуатации такой установки и многочисленные исследовательские работы по флотации сланцев различных слоев и месторождений показывают, что во всех случаях могут быть достигнуты хорошие технологические показатели обогащения. При этом разработаны эффективные режимы получения высококонцентрированного керогена марки 80, 90 и 92, его обезвоживания и доведения до нужной крупности.

8. РЕГЛАМЕНТ ОБРАБОТКИ КЕРНА

При разведке горючих п.и. производится бурение с полным отбором керна. Зачастую правильность оконтуривания и подсчетов запасов во многом зависит от правильного отбора, обработки, описания керна. Ниже приводится регламент, по которому керн проходит все эти этапы в лабораториях ТП НИЦ.

.1 ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ

1. После получения от заказчика заявки на исследование керна по какой-либо скважине в течение 5-и дней составляются программы по различным видам работ: литолого-стратиграфическим, определению физических свойств пород, определению геохимических свойств. Если скважина ещё не пробурена, то в программу работ закладывается максимальное количество образцов на разные виды исследований, исхода из объёмов предполагаемого выноса керна по ГТН.

2. В программу литолого-стратиграфических исследований, помимо традиционных видов работ, необходимо включать обработку Las-файлов по данной скважине и вывод каротажных диаграмм.

3. Общая программа работ по скважине, подписанная руководителями ТП НИЦ, направляется заказчику на согласование вместе с сопроводительным письмом. В письме обосновывается целесообразность проведения тех или иных видов исследований и отбора необходимого количества образцов.

4. Керн поступает в кернохранилище ТП НИЦ после согласования с заказчиком и подписания обеими сторонами программы работ. До покупки и установки новых камнерезных станков весь керн поступает в склады кернохранилища.

5. Ящики с керном расставляются в камеральном помещении кернохранилища, при необходимости маркируются, нумеруются. Производится подготовка керна к работе: если керн грязный - необходимо его вымыть; проверяется правильность укладки и ориентировки керна в ящиках; заготавливаются и раскладываются отсутствующие этикетки.

6.После предоставления заказчиком первичного описания керна, предварительных разбивок и результатов опробования скважины в открытом стволе намечаются точки изготовления образцов правильной геометрической формы для петрофизических исследований.

7.Из полноразмерных кусков керна высверливаются цилиндрические заготовки параллельно напластованию и выпиливаются кубики.

8.Керн фотографируется.

.2 ОПИСАНИЕ КЕРНА И ОТБОР ОБРАЗЦОВ

1. После проведения всех подготовительных работ специалист-литолог проводит послойное описание керна с отбором образцов на все виды исследований.

Обязательный комплекс исследований свойств горных пород и плотность отбора образцов на 1 м керна по разным категориям скважин, утверждённый МПТ и МП РК (1995 г), а также рекомендации по отбору образцов из различных типов пород для основных видов комплексного исследования керна приведены в приложениях 1, 2.

В последнее время комплекс исследований керна по скважинам регламентируется требованиями заказчика. Поэтому при описании керна и отборе образцов специалисты должны руководствоваться согласованной с заказчиком и утверждённой программой лабораторных исследований по данной скважине.

Средняя норма описания керна с полным отбором образцов - 15-20 м в день, считая со дня полной подготовки керна к работе, изготовления образцов правильной геометрической формы и фотографирования.

2. Отбор, образцов на палеонтологические исследования для определения возраста пород. Отбираются все видимые органические остатки (брахиоподы, пелециподы, растительные остатки и др.). При описании керна и отборе палеонтологических образцов по мере необходимости проводится продольная распиловка керна (не более 1м на 10 м керна). На остракоды, конодонты, спорово-пыльцевой анализ берётся половина распиленного куска.

Вес образцов:

o   на остракоды ~ 0,5-1,0 кг,

o   на конодонты ~ 1,0-1,5 кг,

o   на СПК ~ 0,5кг,

o   на фораминиферы ~ 100 г.

Сроки обработки образцов (от поступления в лабораторию до составления - заключения о возрасте):

o   остракоды - 3 дня на каждый образец;

o   брахиоподы - 2 дня;

o   фораминиферы - 3 дня (включая изготовление палеонтологических шлифов);

o   конодонты - 2 месяца;

o   спорово-пыльцевые комплексы (СПК) - 1,5-2 месяца в зависимости от состава пород;

3.     Отбор образцов на петрографические исследования. На изготовление петрографических шлифов отбираются образцы из основных разновидностей пород в зависимости от категории скважины, плотность отбора в среднем - 1обр/2м, из коллекторов - 2 обр/м (отбираются совместно с образцами на физ. свойства).

Вес образца 50-100г.

Средняя норма изготовления петрографических шлифов - 7-10 шт. в день.

4.     Отбор образцов на петрофизические исследования. На определение коллекторских, петрофизических свойств пород и на специальные исследования отбираются образцы правильной геометрической формы, а при необходимости и кусочки керна. Торцевание цилиндрических заготовок, изготовление кубиков производится в лаборатории физики пласта отдела природных резервуаров. На петрографические шлифы из коллекторов берутся торцевые части цилиндров (2обр/м), которые передаются в шлифовальную лабораторию.

Сроки определения коллекторских, петрофизических свойств пород, специальных исследований - 2-3 месяца в зависимости от продолжительности экстрагирования образцов и объёмов исследований (сроки могут дополнительно согласовываться с заказчиком).

5.   Отбор образцов на геохимические исследования. Также как и на другие виды анализа на геохимические исследования образцы отбираются согласно утверждённой программе. Образцы на битуминологический и люминесцентный анализы отбираются совместно с астрофизическими из одного прослоя (из «стенок», оставшихся от высверленных цилиндров). На СКВ образцы отбираются из известняков и доломитов.

Если в программу работ не включены петрофизические исследования керна, то образцы на битуминологический и люминесцентный анализы отбираются из нефтенасыщенных пород согласно установленным нормам.

Плотность отбора образцов зависит от категории скважины, в среднем 1обр./1м, из пористых пород - 2обр./1м.

Вес образца 50-100г.

Сроки обработки образцов:

o   СКВ - 2 недели со дня поступления образцов в лабораторию;

o   люминисцентный, битуминологический анализ - от 2 недель до 1 месяца.

6. В процессе работы при описании керна на каждый образец заготавливается этикетка, в которой указывается: номер скважины, номер долбления, интервал проходки, номер образца, точная привязка от начала керна, вид анализа. Нумерация образцов по всему интервалу долбления - сквозная.

7. Отобранные образцы заворачиваются в бумагу, подписываются, раскладываются в ящики по видам анализа и отправляются в лаборатории ТП НИЦ на обработку.

.3 ОФОРМЛЕНИЕ И ХРАНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

1. После описания керна с полным отбором образцов заполняется ведомость, в которой указывается фамилия специалиста-литолога, работавшего с керном, фактический метраж описанного керна и количество образцов, отобранных на различные виды анализа.

2. Составляются списки образцов по различным видам исследований, указывается дата отбора, фамилия специалиста, отобравшего образцы, номер договора и организация, заказавшая эти исследования. Затем они подписываются инженером-экономистом и отдаются вместе с образцами в соответствующие подразделения ТП НИЦ на лабораторные исследования. Списки образцов, отобранных на все виды анализа по скважинам, хранятся также в электронном виде в папке «Списки образцов».

3. Описание керна по каждому долблению с перечнем отобранных образцов в электронном виде хранится в папке «КЕРН», а также передаётся на хранение в СИФ в бумажном и электронном виде.

4. После коллекторских, петрофизических и специальных исследований образцы керна правильной геометрической формы (цилиндры, кубы) из отдела природных резервуаров передаются на хранение в кернохранилище.

Большая часть палеонтологических коллекций и петрографических шлифов хранятся в кабинетах специалистов-исполнителей.

Табл. 8. СХЕМА отбора образцов для основных видов комплексного исследования керна

Табл.9. Комплекс исследований свойств горных пород по скважинам, бурящимся на нефть и газ

. ФЛЮОРИТ CaF2

Название от латинского fluere - течь, в связи с легкоплавкостью смесей различных руд с минералом.

Характер выделения. Кристаллы и их сростки, агрегаты преимущественно зернистые, также плотные и землистые, нередко столбчатые и волокнистые частью радиально-лучистые, иногда с кокардовыми структурами.

Структура и морфология кристаллов. Кубическая сингония. Размеры ячейки возрастают с увеличением содержания изоморфных примесей Y, Се, Sr. Гексоктаэдрический класс. Главные формы: а(100), d(110), o(lll), e(210), f(310), n(211), m(311), l(421). Из них наиболее часты а(100), а такжз о(111).

Кристаллы чаще всего кубического облика (рис.18), реже октаэдрического (рис.19, 1,2), иногда значительное развитие получают грани ромбического додекаэдра (рис.19, 3). Обычны простые комбинации форм.

Рис.18. Кристаллы флюорита: 1 - Нерчинский район; 2 - Адун-Чилон; 3- Циновец; 4 - Камберленд

Рис.19. Кристаллы флюорита: 1 - северо-восток России; 2 - Девоншир; 3 - Якутия; 4 - Альтенберг; 5 - Сент-Лоренс, Нью-Йорк

Наблюдаются скелетные кристаллы в виде октаэдров, грани которых покрыты ориентированно наросшими кристалликами флюорита. Нередки параллельные сростки мелких кубических кристаллов - гранные формы (рис.19, 4), взаимное ориентированное обрастание кристаллов, ступенчатое их развитие, а также развитие различных видов вершинных форм (рис.19, 5). Иногда кристаллы значительно уплощены по одной из граней куба. Грани октаэдра обычно неровные, тусклые; грани куба гладкие и блестящие, но иногда исштрихованы параллельно ребрам куба или имеют паркетообразный рисунок (рис.20). Наблюдаются фигуры естественного травления в виде углублений на гранях и притупления вершин и ребер.

Рис.20. Типичный двойник флюорита

Наблюдаются своеобразные кокардовые текстуры, когда шестоватые выделения флюорита обрастают ядро из плотного флюорита или обломка вмещающей породы.

Двойники по (111) распространены обычно в виде взаимно прорастающих кубов (фиг. 5), реже сдвойникованными бывают октаэдры, в таком случае октаэдры часто уплощены по (111).

Характерны плеохроичные дворики вокруг включений радиоактивных минералов. Очень обычны газовожидкие включения в кристаллах оптического флюорита.

Физические свойства. Спайность по (111) совершенная, по (110) неясная. Несовершенство спайности некоторых флюоритов обусловливается наличием включений других минералов (кварца, барита), а свилеватая поверхность спайных поверхностей - присутствием газовых, жидких и твердых включений. Излом плоскораковистый до занозистого или неровного. Хрупок. Твердость 4. Флюориты, окрашенные в темный цвет, отличаются повышенной твердостью. Удельный вес бесцветного прозрачного флюорита 3,180±0,001; вхождение редких земель существенно повышает удельный вес. Цвет варьирует: бывает бесцветным и водяно-прозрачным, обычно отличается разнообразием оттенков: зеленый, зеленовато-голубой, фиолетово-синий, винно-желтый, белый, серый, небесно-голубой, темно-пурпуровый, синевато-черный и коричневый; также розово-красный, малиново-красный, розовый.

Черта бесцветная, иногда у разностей темно-лилового цвета слегка окрашена. Блеск сильный стеклянный до тусклого (в массивных выделениях).

Не электропроводок. Диамагнитен, а при низких температурах парамагнитен. На гранях куба установлена разность электрических потенциалов между серединами граней и их краями, возникающая в результате действия света (фотоэлектричество) или тепла (термоэлектричество).

Обычно флуоресцирует в ультрафиолетовых и в катодных лучах, светится и после удаления источника излучения (остаточная люминесценция); люминесцирует также в результате нагревания.

При продолжительном одностороннем давлении обнаруживает пластическую деформацию.

Микроскопическая характеристика. В шлифах от бесцветного до зеленого и пурпурного. Изотропен. Иногда в кристаллах, испытавших деформацию, наблюдается слабое аномальное двупреломление в разрезах, параллельных (100).

Изоморфное замещение кальция редкими землями вызывает повышение показателя преломления до 1,4572. Дисперсия светопреломления незначительна.

Отмечается различие в пропускании света у природного и искусственного флюорита, особенно в ультрафиолетовой области спектра. Полосы поглощения 3570 и 1667 см-1 в инфракрасной области характерны лишь для природного флюорита.

Химизм и химический состав. Са - 51,33; F - 48,67. В незначительной степени Са замещается Y и Се; повышенное содержание Y и Се - в иттрофлюорите и церфлюорите, которые недостаточно изучены. В искусственных препаратах максимально возможное содержание YF3 50%, при большем его содержании структура флюорита нарушается. Са минерала, по-видимому, в небольшой степени замещается Sr. На основе спектральных и химических анализов указывалось присутствие Li, Na. К, Be, Mg, Си, различных TR,Fe, Mn, Ge, Cd, C1. Наличие Al, Si, Fe, S бывает обусловлено присутствием включений разных минералов. К, Na, Mg и Сl входят в состав жидких включений, обильных во многих флюоритах. Известны флюориты, содержащие органические вещества.

Растворимость CaF2 в химически чистой воде незначительна, но заметно возрастает с повышением температуры.

Диагностика. Полностью разлагается крепкой серной кислотой с выделением HF; также хлорной кислотой в присутствии небольшого количества борной кислоты.

Поведение при нагревании. Температура плавления 1360°, кипения - 2450°. Кривая нагревания флюорита - прямая линия. Показатели преломления минерала, как и уд. вес, в результате нагревания понижаются.

Нахождение в природе. Широко распространенный минерал, встречается в месторождениях самого разнообразного генезиса. Чаще всего жильный минерал гидротермальных месторождений различного типа (оловорудных, молибдено-вольфрамовых, сурьмяно-ртутных и др.). Кроме того, встречается в больших количествах в пегматитах, в осадочных породах; изредка в альпийских жилах и зоне гипергенеза рудных месторождений.

Как акцессорный минерал обнаруживается в самых различных интрузивных, эффузивных и жильных породах нормального и щелочного ряда, среднего и кислого состава. Так он известен в нефелиновых сиенитах, сиенит-порфирах, фонолитах, щелочных гранитах, гранофирах, микрогранитах, микросиенитах.

В нормальных гранитных пегматитах может образовывать крупные желвакообразные выделения, залегающие в центральных частях жил в срастании с бериллом и кварцем, или кварцем, альбитом, монацитом, ортитом, гадолинитом, ксенотимом, бастнезитом, микролитом, a в занорышах встречаются великолепные кристаллы оптического флюорита, иногда заключенные в кварцевом ядре.

В грейзенах, связанных с высокотемпературными молибдено-вольфрамовыми, оловянно-вольфрамовыми и другими жилами, ассоциируется с молибденитом, вольфрамитом, бериллом, топазом, турмалином, мусковитом, литиевыми слюдами, хризобериллом, цирконом, ксенотимом, касситеритом, апатитом, кварцем.

В контактово-метасоматических железорудных месторождениях флюорит иногда ассоциируется с магнетитом.

В жилах альпийского типа флюорит встречается в виде хорошо образованных кристаллов иногда полихромной окраски (ядро - розово-красное, внешняя кайма - светло-зеленая).

В гидротермальных рудных жилах флюорит слагает совместно с кварцем, кальцитом, доломитом и баритом жильную массу. Для месторождений этого типа указывается схема последовательности выделения флюорита: 1) самый ранний флюорит - темно-фиолетовый, преимущественно кубического облика; 2) зеленый и изумрудный; 3) бледно-фиолетовый, голубоватый и желтоватый; 4) наиболее поздний - бесцветный. Месторождения часто располагаются на контакте массивного известняка с кремнистыми сланцами и приурочены к зонам разломов.

В ураноносных минерализованных тектонических зонах наблюдается сеть поздних флюоритовых прожилков; флюорит ассоциируется с урановой смолкой, колломорфным молибденитом (последний образует микроскопические новообразования во флюорите), кварцем, сульфидами. Известны касситерито-флюоритовые прожилки, генетически связанные с эффузивами, в которых флюорит образует срастания с адуляром.

В осадочных породах флюорит встречается в пустотках в виде хорошо образованных кристалликов, а также в виде землистой разности - ратовкита в доломитах и известняках, песчаниках, алевролитах, мергелях. Флюорит осадочных толщ - хемогенное образование галогенных фаций - чувствительный индикатор фаций морских бассейнов раннего этапа их засоления (до стадии гипса и ангидрита). В доломитах флюорит ассоциируется с целестином, ангидритом, гипсом, доломитом, серой. Часто составляет цемент песчаников.

Практическое значение. Применяется как флюс в металлургии (при употреблении флюоритовой массы как флюса в ней должно быть не менее 85% CaF2). В химической промышленности служит источником получения искусственного криолита, плавиковой кислоты и других фтористых соединений. Применяется в производстве эмалей и глазурей, в цементной промышленности. Прозрачные разности представляют ценное оптическое сырье. Из флюорита изготовляются линзы, призмы, объективы микроскопов, устраняющие сферическую и хроматическую аберрация. Природные кристаллы оптического флюорита должны быть прозрачны, оптически однородны; голубые и фиолетовые кристаллы непригодны для оптических целей. Для оптических приборов применяются и искусственные кристаллы. Служит и поделочным материалом: используются полихромные, волокнистые или полосчатые разновидности.

10. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Горючие сланцы встречаются на всех континентах земного шара, занимая в отдельных районах обширные площади. Общие мировые потенциальные запасы сланцевой смолы во много раз превышают запасы нефти.

Образование горючих сланцев происходило во все геологические периоды развития нашей планеты - от кембрия до современных условий, иногда более, иногда менее интенсивно.

Горючие сланцы - это самостоятельная ветвь класса каустобиолитов, керогенсодержащая порода, которая по природе образования отлична от всех известных твердых горючих ископаемых. Исходным веществом образования горючих сланцев в основном служили водоросли, подвергнутые биохимическому преобразованию бактериями в аэробных и анаэробных условиях. В зависимости от примесей гумусового вещества горючие сланцы разделяются на три основных класса: сапропелевые (преимущественно керогеновые), сапропелево-гумусовые (подчиненное значение гумуса) и гумусово-сапропелевые (преобладание гумуса или в равных соотношениях). Каждый из этих типов сланцев отличается по петрографическому и химическому составу и свойствам и соответственно с этим имеет различное промышленное значение.

Горючий сланец - это комплексное органо-минеральное полезное ископаемое, состоящее из органического вещества и минеральной массы, содержит нередко в промышленных количествах такие сопутствующие компоненты, как алюминий, титан, железо, калий, натрий, серу, и в качестве примесей редкие и рассеянные элементы уран, висмут, рений, германий, молибден и др. в концентрациях, заслуживающих извлечения.

Минеральная масса горючих сланцев большинства исследуемых месторождений по своему химическому составу пригодна для производства различных строительных материалов. Однако неиспользование минеральной части сланцев при добыче и переработке значительно удорожает стоимость получаемых сланцехимических продуктов, образует огромных размеров отвалы шахт, заводов, загрязняет воздушное пространство, требует отвода земляных участков немалых размеров.

ешение экологических вопросов, занимающих все большее место в программах использования природных ресурсов, невозможно вне безотходного использования горючих сланцев, тем более если учесть, что основная масса горючих сланцев известных месторождений мира имеет теплоту сгорания в пределах 6280-8370 кДж/кг и выход смолы не более 10% на сланец.

В современных условиях энергетику мира в основном определяют нефть и газ. Следовательно, если в качестве их заменителя выступят горючие сланцы, то потребуется добывать десятки миллиардов тонн этого полезного ископаемого, чтобы получить сотни тысяч тонн смолы. Горючие сланцы абсолютного большинства известных месторождений по сравнению с прибалтийскими сланцами значительно беднее ОВ, имеют меньший процент выхода смолы и меньшую теплоту сгорания. Следовательно, ежегодные отходы добычи и переработки таких сланцев составят не десятки, а сотни миллионов тонн в год. Это следует учитывать при промышленной оценке новых месторождений.

Разработанная технология переработки продуктов полукоксования горючих сланцев - смолы и газового бензина - позволила создать в стране новую отрасль - сланцехимию с получением специфически сланцехимических и типично нефтехимических продуктов.

Мировые прогнозные запасы горючих сланцев огромны. По прогнозной оценке запасы смолы, заключенной в сланцах, составляют 26 трлн. т. В недалеком будущем горючие сланцы - единственное природное твердое топливное сырье, заменитель нефти и газа.

Проявление сланценосности установлено в Болгарии, Венгрии» Монголии, Польше, Румынии и Югославии. Если учесть, что многим из них приходится использовать привозное топливо (уголь, нефть, газ), то добыча собственных горючих сланцев может заметно улучшить топливно-энергетический баланс.

Горючие сланцы распространены в Афганистане, Аргентине, Бразилии, Заире, Ливане, Марокко, Сирии, Турции, на Мадагаскаре. В Марокко разрабатываются горючие сланцы месторождения Тарфайя, запасы которых оцениваются в 200 млрд. т. Крупные запасы сланцев приходятся на месторождение Луалаба в Заире - 15 трлн. т сланцевой смолы. В Бразилии сланценосные отложения распространены на обширной площади. Запасы сланцевой смолы оцениваются в 1 200 млрд. т. Переработка сланцев формации Ирати ведется в крупных масштабах.

В КНР распространение сланценосных отложений установлена в десяти провинциях. Сланцы бассейна Фушунь разрабатывались с 1929 г. Прогнозные запасы горючих сланцев только одного этого бассейна оцениваются в 360 млрд. т.

Крупные сланценосные бассейны известны в США, Канаде. Прогнозные запасы сланцевой смолы формации Грин-Ривер штата Колорадо оценивают в 300-600 млрд. т.

На территории многих штатов Австралии и Новой Зеландии распространены многочисленные месторождения горючих сланцев весьма разнообразного и сложного состава. Ими заняты обширные площади. Сланцы от мало- (0,6%) до многосернистых (30%), от мало- (6-10%) до высокосмоляных (30%).

Россия располагает значительными резервами развития сланцевой промышленности. В европейской части страны известен крупный сланценосный Волжский бассейн, а к северу от него расположены Яренгский бассейн, Ижевская и Сысольская площади. В Белоруссии за последние годы выявлен бассейн Припятской впадины. Запасы сланцев Болтышского месторождения на Украине, по данным предварительной разведки, не менее 3 млрд. т, теплота сгорания 8400-12500 кДж/кг. На Северо-востоке России расположен Оленекский сланцевый бассейн с запасами свыше 300 млрд. т сланца. Горючие сланцы обнаружены в Иркутской области, Восточном Забайкалье, Западной Сибири. Одним из перспективных угольно-сланцевых бассейнов является Кендерлыкский бассейн Казахстана. Заслуживают более детального изучения многочисленные месторождения Узбекистана и Таджикистана, содержащие редкие и рассеянные элементы в повышенных концентрациях.

11. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Зеленин Н.И., Озеров И.М.. Справочник по горючим сланцам / И.Н. Зеленин. - М.: Недра, 1983. - 248 с.

2. Старостин В.И., Игнатов П.А. Геология полезных ископаемых / В.И.Старостин. - М, Академический Проект, 2004. - 512 с.

3. Абрамов. А.А.. Переработка, обогащение и комплексное использование твердых полезных ископаемых. Том II / А.А. Абрамов. - М.: Изд-во МГГУ, 2004. - 512 с.

4. Минералы: справочник. Том II. Галогениды - М., Изд-во Академии наук СССР, 1963. - 296 с.