Физико-химические свойства горючих ископаемых и методы их исследования

 
 
 
 
 
В. Г. Самойлик 
 
 
 
 
 
 
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА  
ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ  
И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023

Рекомендовано учёным советом ГОУВПО «Донецкий национальный 
технический университет» (г. Донецк) в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений (протокол № 2 
от 24.03.2017 г.) 
УДК 622.7.01 
ББК 33.4 
С17 
 
 
Рецензенты: 
кандидат технических наук, заведующий кафедрой обогащения полезных  
ископаемых ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» 
(г. Донецк) А. Н. Корчевский; 
кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Института  
физико-органической химии и углехимии им. Л. М. Литвиненко С. Л. Хилько 
 
 
Самойлик, В. Г. 
С17  
Физико-химические свойства горючих ископаемых и методы их 
исследования : учебное пособие / В. Г. Самойлик. - Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2023. - 192 с. : ил., табл. 
 
 
ISBN 978-5-9729-1346-6 
 
Изложены сведения о происхождении твёрдых горючих ископаемых. Приведена характеристика исходного растительного материала, 
описаны условия его накопления и превращения в процессе углеобразования. Дана общая характеристика торфа, бурого и каменного углей, антрацитов, их состава. Подробно изложена информация о физикохимических и физических свойствах твёрдых горючих ископаемых и методах их исследований.  
Для студентов специальности «Горное дело». Может быть полезно 
научным и инженерно-техническим работникам горной промышленности. 
 
УДК 622.7.01 
ББК 33.4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1346-6 
© Самойлик В. Г., 2023 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 

Оглавление 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 6 
Глава 1. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ  
ИСКОПАЕМЫХ 
........................................................................................................ 10 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 14 
Глава 2. ОСНОВНЫЕ ФАЗЫ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ТГИ ..................... 15 
2.1. Первая фаза углеобразования ........................................................................... 16 
2.2. Углефикация ....................................................................................................... 21 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 25 
Глава 3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГУМИТОВ............................................. 26 
3.1. Торф ..................................................................................................................... 26 
3.2. Бурые угли 
........................................................................................................... 29 
3.3. Каменные угли 
.................................................................................................... 30 
3.4. Антрациты 
........................................................................................................... 31 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 32 
Глава 4. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 
ЛИПТОБИОЛИТОВ, САПРОПЕЛИТОВ И ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ 
.................. 33 
4.1. Липтобиолиты 
..................................................................................................... 33 
4.2. Сапропелиты ....................................................................................................... 34 
4.3. Горючие сланцы ................................................................................................. 37 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 40 
Глава 5. ОТБОР И ПОДГОТОВКА ПРОБ ДЛЯ АНАЛИЗА ФИЗИКОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СОСТАВА ТГИ 
.................................................... 41 
5.1. Опробование топлива .......................................................................................... 42 
5.2. Обработка проб ................................................................................................... 43 
5.3. Подготовка пробы к проведению анализа ......................................................... 45 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 47 
Глава 6. ТЕХНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТГИ. ВЛАГА ТГИ ...................................... 48 
6.1. Виды влаги в ТГИ 
................................................................................................. 48 
6.2. Методы определения общей влаги .................................................................... 51 
6.2.1. Определение общей влаги каменных и бурых углей, лигнитов,  
антрацитов и горючих сланцев ................................................................................... 51 
6.3. Определение влаги в аналитической пробе ...................................................... 55 
6.4. Определение гигроскопической влаги ............................................................ 57 
6.5. Влага в ТГИ различной степени зрелости ...................................................... 58 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 59 
Глава 7. ТЕХНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТГИ. ЗОЛЬНОСТЬ  
ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ............................................................................................ 60 
7.1. Общие представления о минеральных примесях и зольности ТГИ ............. 60 
7.2. Определение зольности минерального твердого топлива ............................. 62 
7.3. Методы определения содержания диоксида углерода карбонатов .............. 65 
7.4. Влияние зольности на технологические характеристики ТГИ ..................... 66 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 67 
 
3 

Глава 8. ТЕХНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТГИ. ВЫХОД ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ.  
РАСЧЕТ НЕЛЕТУЧЕГО УГЛЕРОДА 
........................................................................ 68 
8.1. Определение выхода летучих веществ в группе каменных углей 
.................... 69 
8.2. Определение выхода летучих веществ в группе бурых углей ...................... 70 
8.3. Выход летучих веществ из ТГИ разной природы и зрелости ....................... 72 
8.4. Расчет нелетучего углерода............................................................................... 73 
8.5. Пересчет результатов технического анализа на различные состояния 
топлива ....................................................................................................................... 73 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 75 
Глава 9. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ОРГАНИЧЕСКОЙ МАССЫ ТГИ .............. 76 
9.1. Определение содержания углерода и водорода ................................................. 77 
9.2. Определение содержания азота ......................................................................... 80 
9.3. Определение содержания кислорода ............................................................... 81 
9.4. Элементный состав различных видов ТГИ 
....................................................... 84 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 85 
Глава 10. СЕРА В ТГИ 
.............................................................................................. 86 
10.1. Определение содержания общей серы в ТГИ .................................................... 86 
10.2. Определение содержания органической серы ................................................. 89 
10.2.1. Определение сульфатной серы .................................................................... 90 
10.2.2. Определение пиритной серы 
....................................................................... 92 
10.2.3. Определение органической серы 
................................................................. 94 
10.3. Влияние серы на технологические показатели ТГИ .................................... 95 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 96 
Глава 11. ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТГИ 
.................................................................. 97 
11.1. Определение высшей теплоты сгорания топлива 
.......................................... 98 
11.2. Расчет низшей теплоты сгорания топлива ................................................... 101 
11.3. Элементный состав и теплота сгорания ТГИ 
.............................................. 103 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 104 
Глава 12. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКАЕМОСТИ  
И КОКСУЕМОСТИ УГЛЕЙ 
.................................................................................. 105 
12.1. Определение пластометрических показателей .......................................... 107 
12.2. Определение спекающей способности по методу Рога ............................. 111 
12.3. Определение спекаемости углей по индексу свободного вспучивания 
... 113 
12.4. Определение коксуемости углей ................................................................. 116 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 118 
Глава 13. МЕТОДЫ ПЕТРОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА УГЛЕЙ ..................... 119 
13.1. Петрографический состав углей .................................................................. 120 
13.2. Определение групп мацералов и минеральных включений 
..................... 125 
13.3. Определение показателя отражения витринита 
.......................................... 129 
13.4. Петрографический метод определения обогатимости углей .................... 134 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 136 
Глава 14. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТГИ. ПЛОТНОСТЬ  
И ПОРИСТОСТЬ..................................................................................................... 137 
14.1. Плотность ТГИ ............................................................................................... 137 
14.1.1. Определение действительной плотности ТГИ ....................................... 138 
4 

14.1.2. Определение кажущейся плотности ТГИ 
................................................ 141 
14.1.3. Определение насыпной плотности ТГИ ................................................... 143 
14.1.4. Влияние различных факторов на плотность ТГИ 
.................................... 143 
14.2. Определение пористости ТГИ ...................................................................... 146 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 149 
Глава 15. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТГИ .............................. 150 
15.1. Определение микротвердости и микрохрупкости 
..................................... 150 
15.2. Определение механической прочности ...................................................... 153 
15.2.1. Метод испытания в большом барабане 
..................................................... 153 
15.2.2. Метод испытания в малом барабане ......................................................... 154 
15.2.3. Испытание методом толчения.................................................................... 155 
15.2.4. Метод ВИМСа ............................................................................................. 156 
15.2.5. Влияние различных факторов на механическую прочность ТГИ 
.......... 157 
15.3. Определение размолоспособности ТГИ ...................................................... 158 
15.3.1. Определение коэффициента размолоспособности по ВТИ 
.................... 159 
15.3.2. Определение коэффициента размолоспособности по Хардгрову 
.......... 162 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 164 
Глава 16. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТГИ 
.......................................... 165 
16.1. Метод определения удельной теплоемкости и коэффициента 
температуропроводности 
........................................................................................ 166 
16.2. Метод определения коэффициента теплопроводности 
.............................. 170 
16.3. Влияние различных факторов на теплофизические свойства ТГИ .......... 172 
Контрольные вопросы 
........................................................................................... 176 
Глава 17. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТГИ ..................................... 177 
17.1. Метод определения удельного электрического сопротивления ............... 178 
17.2. Метод определения диэлектрической проницаемости .............................. 179 
17.3. Влияние различных факторов на электрофизические свойства ТГИ 
....... 181 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 185 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 186 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
....................................................................................... 187 
 
 
 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Полезными ископаемыми называются добываемые из недр земли природные вещества органического и неорганического происхождения, которые при 
современном состоянии техники и технологии могут быть эффективно использованы в народном хозяйстве в естественном виде или после предварительной 
переработки. 
К полезным ископаемым органического происхождения относятся вещества трех агрегатных состояний: газообразные (природный газ), жидкие 
(нефть) и твердые (торф, бурые и каменные угли, антрациты, горючие сланцы, 
сапропелиты, а также переходные и смешанные разновидности твердых углеродных веществ). 
Из всех горючих ископаемых наиболее значимыми по геологическим запасам являются угли (табл. 1). 
 
Т а б л и ц а  1 
Структура мировых запасов горючих ископаемых 
Вид горючих ископаемых 
Геологические запасы 
Условно доступные для 
извлечения запасы 
млрд т у.т.

млрд т у.т. 

Уголь 
10 126 
89,53 
2880 
82,66 
Нефть 
743 
6,57 
372 
10,68 
Природный газ 
229 
2,02 
178 
5,11 
Торф 
98 
0,88 
26 
0,75 
Горючие сланцы 
114 
1,0 
28 
0,8 
Итого 
11 310 
100,00 
3484 
100,00 
 
Как следует из данных табл. 1, более 84  от общего количества пригодных для добычи горючих ископаемых составляют твердые горючие ископаемые (ТГИ), среди которых преобладает уголь (82,66 ). Потребление горючих 
ископаемых вследствие экономических и технических причин не соответствует 
имеющимся ресурсам: в настоящее время около 62  энергии вырабатывается 
из нефти и природного газа, запасы которых составляют около 16  от общих 
ресурсов горючих ископаемых [1].   
Общие геологические запасы углей земного шара до глубины 1800 м оцениваются в пределах в 14 000-16 000 млрд т [2]. Известно около 3000 угольных 
месторождений и бассейнов. Из общих геологических запасов 57  углей сосредоточены в Азии, 30  - в Северной Америке, на остальные континенты 
приходится всего 13 . Основная доля углей в ведущих странах залегает на 
6 

глубинах до 600 м. Однако в отдельных крупных бассейнах, например, Донецком и Рурском (Германия и Бельгия), запасы углей до глубины 600 м практически выработаны, а оставшиеся сосредоточены на больших глубинах. 
Прогнозными исследованиями предполагается неуклонный рост потребления угля до 2025 г. со средним приростом 1,5  в год, но со значительными 
отклонениями по регионам. В частности, мировое потребление угля по сравнению с 2000 г. увеличится на 1,7 млрд т, т. е. с 4,7 млрд т в 2000 г. до 6,4 млрд т 
в 2025 г. При неблагоприятном варианте развития мировой экономики мировое 
потребление угля в 2025 г. может составить 5,5 млрд т, а при благоприятном - 
7,6 млрд т. Основным потребителем угля останется энергогенерирующая отрасль (более 55 ), в которой будет наблюдаться значительный рост потребления, а также металлургическая промышленность. В других сферах использования угля (промышленное, коммерческое, бытовое) будет наблюдаться рост других источников энергии. Исключение составляет Китай, где потребление угля 
сохранится во всех возможных сферах его применения. 
Мировые запасы торфа оцениваются в 285,4 млрд т. На Азию приходится 
около 50 , Европу - 31 , Северную Америку - 11 . Остальные торфяные 
месторождения расположены в Африке, Южной Америке и Австралии. По запасам торфа бывший СССР занимает первое место в мире. Здесь выявлено более 63 тысяч крупных торфяных месторождений общей площадью 71,5 млн га с 
запасами торфа 163,6 млрд т, что составляет более 57  мировых торфяных ресурсов. Крупные торфяные месторождения площадью свыше 10 000 га сосредоточены в основном на территории Российской Федерации, запасы составляют 
более 150 млн т. На долю Республики Беларусь приходится 5,4 млн т., Украины - 2,27 млн т, Эстонии - 2,27 млн т, Латвии - 1,6 млн т [1].   
B XVI-XVII веках из торфа выжигали кокс, получали смолу, его использовали в cельском xозяйстве, медицине. B конце XIX - начале XX веков началось промышленное производство торфяного полукокса и смолы. B 30-50-e годы торф стали использовать для производства газа и как коммунально-бытовое 
топливо. Cреди современных направлений применения торфа топливное составляет меньшую долю. Лишь некоторые страны продолжают использовать 
торф как топливо для электростанций (фрезерный торф) и для коммунальнобытовых целей (торфяные брикеты и куски). Многие страны в больших объемах применяют торф в cельском xозяйстве - для приготовления компостов, 
торфоаммиачных, торфоминеральных удобрений; в овощеводстве и цветоводстве - в качестве парникового грунта, микропарников, формованных субстратов, брикетов и торфяных горшочков для выращивания рассады, сеянцев и саженцев древесных пород; в виде торфодерновых ковров - для озеленения, закрепления откосов. Из торфа получают кокс для металлургических заводов, ак7 

тивированный уголь. Tорф используется для получения ряда химических продуктов (этилового спирта, щавелевой кислоты, фурфурола и др.), кормовых 
дрожжей, физиологически активных веществ, торфяного вocкa; в медицине - 
при торфогрязелечении, a также для получения лечебных препаратов.  
Запасы горючих сланцев, содержащих от 10 до 65  органического вещества, превышают 1500 млрд т [1]. Мировые ресурсы горючих сланцев распределены крайне неравномерно, большая часть - около 70  находится в Северной Америке, в Европе - около 12 . В мире известно более 550 месторождений горючих сланцев, которые встречаются во всех основных геологоструктурных типах - складчатых областях, древних и молодых платформах. 
Крупнейшее в мире месторождение горючих сланцев Green River с запасами 
около 60  мировых расположено в США. Крупные месторождения горючих 
сланцев находятся на территории Бразилии, России, Эстонии, Беларуси, Узбекистана, Украины.  
Месторождения горючих сланцев различаются по условиям залегания, 
количеству продуктивных пластов, их мощности и строению, качеству сланцев, 
а также по степени изученности. Качественные характеристики горючих сланцев, в частности, содержание органического вещества, являются важнейшими 
показателями при оценке целесообразности разработки того или иного месторождения. Горючие сланцы отдельных месторождений имеют высокое содержание Cu, Mo, U, Pb, Zn, V и оцениваются как рудное сырье. 
Мировая сланцеперерабатывающая промышленность является старейшей 
отраслью топливной промышленности: осветительные масла, парафин, и некоторые другие продукты, прежде чем их стали вырабатывать из нефти, производились из сланцев. 
Горючие сланцы являются комплексным полезным ископаемым - и топливом, и химическим сырьем. В качестве топлива они могут использоваться 
при непосредственном сжигании, а также после переработки - в виде сланцевого масла. При термической переработке горючих сланцев помимо сланцевого 
масла можно получить различные химические вещества [3]. 
Промышленную ценность представляет как органическая, так и минеральная часть горючих сланцев, включая редкие и рассеянные элементы. 
Из горючих сланцев можно получать различные виды продукции: 
í топливно-энергетическую (газ, масло топочное, дизельное, мазут топочный, бензин, керосин); 
í химическую (бензол, толуол, тиофен, сера, фенолы, ихтиол, пр.); 
í концентраты редких и рассеянных элементов. 
 
8 

Зола, образующаяся при сжигании горючих сланцев, является дешевымсырьем для производства строительных материалов (цементы, стеновые блоки, 
наполнители бетонов). 
По степени использования горючие сланцы занимают одно из последних 
мест среди горючих ископаемых. Причина этого - высокая зольность горючих 
сланцев и сложность комплексной переработки этого вида сырья с высокой 
экологической и экономической эффективностью. 
Вместе с тем в разных регионах мира отмечается растущий интерес к 
возможности получения сланцевой смолы как альтернативного источника энергии. Это обусловлено наличием значительных ресурсов горючих сланцев при 
увеличивающихся энергетических потребностях и ограниченности либо истощении запасов традиционных источников углеводородов в ряде стран.  
Получили широкое распространение технологии получения сланцевого 
газа. Внедряются технологии добычи сланцевой нефти. Наиболее удачным 
примером успешного применения технологий добычи сланцевой нефти считается месторождение Баккен (Bakken) в Северной и Южной Дакоте. Добыча 
сланцевой нефти на этом месторождении составляет 500 тыс. баррелей в сутки. 
По мере проведения разведочных работ запасы нефти этого месторождения 
увеличились со 150 млн баррелей до 11 млрд баррелей нефти. 
Наряду с месторождением Баккен добыча сланцевой нефти ведется также 
на месторождениях Eagle Ford в Техасе, Bone Springs в Нью-Мексико и Three 
Forks в Северной Дакоте. 
С помощью технологий горизонтального бурения и гидроразрыва пласта 
США планируют к 2035 году увеличить добычу нефти из плотных сланцевых 
пород вдвое. 
 По Сценарию новых стратегий [4] мировой спрос на первичную энергию 
увеличивается на 36  в 2008-2035 годах, с примерно 12 300 миллионов тонн 
нефтяного эквивалента (млн т н.э.) до 16 700 млн т н.э., или в среднем на 1,2  
в год. При этом на ископаемое топливо приходится более половины роста общего спроса на первичную энергию. Нефть по-прежнему лидирует в балансе 
первичных энергоносителей в течение прогнозируемого периода, хотя ее доля в 
структуре первичных энергоносителей, которая в 2008 году составляла 33 , 
снижается до 28 , так как высокие цены и правительственные меры по стимулированию эффективности использования топлива приводят к отказу от применения нефтепродуктов в промышленности и электроэнергетике, а также появляются новые возможности замены нефтепродуктов другими видами топлива. 
Спрос на твердые горючие ископаемые будет увеличиваться. 
 
 
9 

Глава 1 
УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ 
 
Твердые горючие ископаемые (ТГИ) образовались из остатков растительного или животного происхождения и называются каустобиолитами (от греческих каустос - горючий, биос - жизнь, литос - камень). 
Согласно современным воззрениям, образование тех или иных видов горючих ископаемых определяется типом исходного органического вещества и 
условиями его образования. Многие виды твердых горючих ископаемых произошли из наземной растительности. Ее остатки накапливались в лесных и 
тростниковых болотах и озерах, затем подвергались биохимическим превращениям, сначала образуя торф. При погружении в водоемы с течением времени 
под воздействием температуры и давления торф превращался последовательно 
в бурые, каменные угли и антрациты. Из высших растений образовались ТГИ, 
именуемые гумитами (от латинского слова гумус - земля).  
Из наиболее стойких частей высших растений (восков, смол, спор, пыльцы 
и т. п.) образовались ТГИ, именуемые липтобиолитами (от греческого лейптос - 
остаточный). Эти фрагменты весьма устойчивы и могут накапливаться при формировании осадка. К типичным липтобиолитам относятся пирописит, янтарь, кутикулит, ткибульский смоляной уголь. 
В застойных водоемах могли образовываться отложения биохимического 
превращения микроводорослей и животных организмов - планктона. Из них 
образовались ТГИ, именуемые сапропелитами (от греческих слов сапрос - 
гнилой, пелос - ил). Типичными их представителями являются сапропели и 
богхеды. К высокозольным разновидностям сапропелитов относятся горючие 
сланцы. 
Образование ТГИ происходило на протяжении многих геологических периодов, в течение которых неоднократно изменялись климат и рельеф земной 
поверхности, а следовательно, и растительный мир. Соответственно создавались благоприятные или неблагоприятные условия для образования твердых 
горючих ископаемых. 
В результате детального изучения остатков древесины, коры, ветвей, 
листьев или их отпечатков, сохранившихся в пластах каменных углей, 
представилось возможным восстановить первоначальные формы, размеры, 
строение растений прежних геологических периодов, способы их размножения 
и даже условия их произрастания. В табл. 1.1 представлены сведения об 
условиях образования органического вещества в различных геологических 
периодах [5]. Данная таблица охватывает период времени от зарождения жизни 
на земле более 2 млрд лет назад до современной эпохи. 
10