Zacaminte de carbuni

ZACAMINTE DE CARBUNI

1. Definitie, compozitie, proprietati

Carbunii sunt roci organogene caustobiolitice, compacte si stratificate, formate din material vegetal acumulat in conditii speciale si supus, in decursul timpului geologic, unui complex proces de transformari fizico-chimice, in lipsa oxigenului, denumit carbonificare si de bituminizare (in cazul bitumolitelor).

In constitutia lor intra componenti organogeni si minerali. Componentii organogeni formeaza masa combustibila, care este constituita din: C (59-96%), H (1-12%), O (2-12%) si N (>3%), precum si din mici cantitati de S si P. Ei provin din tesuturile vegetale ale plantelor care prin metamorfism au generat carbunii. Componentii minerali formeaza fractiunea incombustibila si sunt reprezentati prin diverse minerale anorganice (cuart, oxizi si hodroxizi, silicati, carbonati si sulfati de Al, Fe, Ca, Mg, K si Na) pe langa care mai apar cantitati variabile de apa. Unele zacaminte prezinta concentratii de Be, Ni, Co, V, U, Ga, Ge, Y si alte elemente, dintre care unele (U, Ge, V) in cantitati recuperabile. Toti acesti componenti minerali reprezinta substante anorganice depuse concomitent cu masa vegetala in fostele turbarii sau prin diageneza ulterioara.

Componentii cei mai importanti sunt C si H, surse potentiala ale energiei termice de care sunt capabili, iar raportul C /H care creste de la 8,3 la lemn, la 9,8 la turba, la 40 la antracit, exprima gradul de carbonizare a carbunilor. Potentialul energetic este exprimat prin puterea calorica si ea variaza intre 3000-6000 KJ / Kg (kilo juli per kilogram masa carbunoasa) la turba (8000-17000 la turba uscata), 4000-11.000 KJ / Kg la lignit, 11.000 - 25.000 KJ /Kg la carbunii bruni, 25.000 - 34.000 KJ / Kg la huile si 32.000 - 36.000 KJ / Kg la antracit. Puterea calorica se mai poate exprima si in Kcal / Kg, asa cum se va vedea mai departe.

Fractiunea incombustibila formeaza cenusa carbunilor. Continutul de cenusa (A), pe langa faptul ca scade proportional puterea calorifica, genereaza in procesul combustiei o serie de dificultati tehnologice si ecologice. Principalele aspecte negative tehnologice sunt: scaderea vitezei de aprindere, obturarea gratarelor in cazul cenusilor usor fuzibile si arderea incompleta cu diminuarea corespunzatoare a randamentelor, coroziunea tevilor schimbatorilor de caldura, scaderea randamentelor cazanelor si costuri mai ridicate cu cca. 80% decat la instalatiile care functioneaza cu combustibili lichizi (ex. pacura). Efectele ecologice negative constau in poluarea atmosferei si necesitatea unor suprafete foarte mari de haldare (depozitare). S, N₂ si P, care produc oxizi in timpul arderii, polueaza atmosfera.

Calitatea unui carbune, inclusiv puterea lui calorica (q), depinde de continutul sau in C (carbon), elemente volatile (V) - H₂, O₂, N₂, cenusa (A), umiditatea totala (W₁) si sulf total (S_t).

Diversele varietati de carbuni se deosebesc intre ele datorita provenientei si compozitiei diferite, dependenta mai ales de metamorfism, prin: culoare, luciu, duritate, spartura, clivaj, greutate specifica (g.s. sau densitate), putere calorica, continutul in bitumen, reactia cu KOH, caracteristicile de aglutinare-cocsificare si tendinta de autoaprindere.

2. Originea carbunilor

Carbunii, ca roci sedimentare caustobiolitice (care ard), sunt rezultati prin acumularea resturilor vegetale in turbarii. Turba, sub influenta temperaturii si a presiunii litostatice (de ingropare) se transforma in carbuni. Transformarea materialului vegetal (organic) in carbune, presupune o imbogatire in carbon si o reducere simultana a continutului in oxigen, hidrogen si azot in procesul de humificare si carbonificare.

In ceea ce priveste paleobotanica carbunilor cele mai importante grupe de plante care au stat de-a lungul timpului la baza formarii carbunilor sunt:

Psilofitalele (S-D) - silurian - devonian;

Licopodialele (S-C-actual);

Equisetalele (S-C-actual);

Filicalele (S-C-actual);

Pinofitele (D-J-actual);

Pteridospermele (D-C-actual);

Caytonialele (T-actual);

Cycadelele (C-J-actual);

Bennetitalele (C-T-actual);

Ginkgoalele (P-J-actual);

Cordaitalele (D-P).

Cele mai mari zacaminte de carbuni s-au format in perioadele Carbonifer si Permian, in Mezozoicul mediu (Jurasic-Liasic) si in Mio-Pliocen. Pentru era Paleozoica, mlastinile erau constituite din Criptogame vasculare, pentru Mezozoic din Gimnosperme, iar pentru Tertiar din Angiosperme.

Formarea carbunilor

In ceea ce priveste procesul de carbonificare, au existat mai multe teorii de formare a carbunilor. O prima teorie este teoria celulozei (F. Bergius - 1913, in Manualul Inginerului de Mine) care sustine ca celuloza din materialul vegetal a stat la baza formarii carbunilor.

Teoria ligninei (F.Fischer si H.Schrader -1922, in Manualul Inginerului de Mine a dovedit ca celuloza se distruge dupa moartea plantelor, pe cand lignina se transforma in acizi humici, humine si humite si in final in carbuni.

Teoria mixta (W. Gothan - 1923, in Manualul Inginerului de Mine) a aratat ca si celuloza si lignina pot conduce la formarea carbunilor. In acest caz, procesele de evolutie in turbarii depinde depinde de pH-ul acestora: la un pH acid se distruge celuloza si se concentreaza lignina, iar la un pH alcalin se distruge lignina si se pastreaza celuloza. Pentru exemplificare am intocmit o schita, privind schimbarile care au loc in constitutia lemnului:

Celuloza Lignina Ceruri, rasini

65% 30% 5%

fermentare

aeroba si acizi humici

anaeroba cu metoxil

gaz acizi acizi humici

asfaltici fara metoxil bitumene

CO₂

CH₄

Grizu humine

H₂ humite

Eliminare

apa

C A R B U N I

(Teoria mixta in ceea ce priveste formarea carbunilor)

Acest lucru este valabil in conditiile in care se accepta ideea ca lemnul, ca substanta este alcatuit din 65% celuloza, 30% lignina si 5% rasini si ceruri.

1. Conditiile de formare a zacamintelor de carbuni

Formarea zacamintelor de carbuni s-a produs in trei stadii:

a.       Stadiul acumularii resturilor vegetale in depozite de sedimentare orizontale, groase care vor constitui materia prima pentru viitoarele strate de carbuni. Acest stadiu este conditionat de existenta unor premize geografice - conditii favorabile de relief (zone depresionare) si clima (climat cald si umed prielnic dezvoltarii unei vegetatii bogate sub forma de paduri si tufarisuri). Locurile cele mai favorabile acestor acumulari sunt depresiunile cu balti, lacuri, lagune, deltele si sesurile aluvionare. Stadiul dureaza de la mii la zeci de mii de ani.

b.      Stadiul transformarilor biochimice a materialului vegetal in cadrul carbonificarii timpurii, cand acesta trece in turba. In acest stadiu un rol important il joaca bacteriile anaerobe ca si unele ciuperci, care prin enzimele proprii, in mediu umed anaerob descompun lignina, celuloza si ceilalti componenti vegetali, transformandu-i in acizi humici si humo-lemnosi. Durata stadiului este de la cateva zeci de mii de ani la cateva milioane de ani.

c.       Stadiul transformarilor geochimice al turbei in carbune sub influenta temperaturilor, presiunilor si timpului. In acest stadiu se produc o serie de transformari succesive din turba in lignit, din lignit in carbune brun superior, a acestuia in huila si a huilei in antracit si chiar grafit. Acizii humici se transforma acum in humiti si humati. Durata acestor transformari este de zeci si chiar sute de milioane de ani.

Realizarea tuturor acestor stadii este conditionata de existenta unui regim de subsidenta (de afundare a bazinelor cu aceste materiale).

Cu alte cuvinte, fiecare din acesti factori apartinand celor trei stadii au rolul lor extrem de bine definit si important. Astfel, clima actioneaza prin caldura, umiditate si lumina solara care favorizeaza dezvoltarea luxurianta a plantelor (in mlastinile tropicale vegetatia atinge 30 de metri inaltime in decurs de 10 ani, iar in zonele temperate vegetatia turbicola de Salix, Populus, Alunus creste in aceasi perioada de timp numai 5-6 m).

Conditiile paleogeografice se refera la morfologia uscatului, la configuratia marilor si la subsidenta uscatului. Prin urmare, o subsidenta slaba, dar continua, favorizeaza instalarea turbariilor in mlastinile care au in acest mod un nivel corespunzator de umiditate. Daca subsidenta este prea rapida se vor forma sedimente anorganice (argile, marne, calcare), iar in cazul unei subsidente prea lente, turba formata se va eroda.

Pentru formarea turbariilor este necesara o slaba energie de relief (adica inaltimi mici), deoarece energia ridicata de relief favorizeaza eroziunea si prin urmare formarea de sedimente detritice care pot intrerupe dezvoltarea turbei.

Pozitia mlastinilor fata de marginea marilor si oceanelor sau prezenta lor la marginea deltelor este un alt factor important in paleogeografia zacamintelor de carbuni (vezi mangroavele cu vegetatie arborescenta de la tropice, asezate chiar la marginea oceanelor sau a marilor).

Structura geologica conditioneaza geologia zacamintelor de carbuni in felul urmator: de regula bazinele cu depozite purtatoare de carbuni s-au instalat in fata unor zone cutate. In acest fel s-a putut realiza un echilibru relativ intre subsidenta si rata de sedimentare cand s-au putut instala mlastini care sa evolueze spre turbarie. Mlastinile in care s-a dezvoltat o vegetatie bogata sunt de mai multe feluri:

mlastini deschise cu plante de apa, in parte submerse;

mlastini deschise cu stuf si plante arborescente (Salix, Populus etc.);

mlastini de padure;

mlastini de muschi.

Cele mai productive mlastini sunt cele din zonele padurilor tropicale. Turba formata in aceste mlastini este bogata mai ales in lignina. Aceasta conduce in procesul de carbonificare la carbune brun bogat in wylit si huile cu un continut mare de vitrit.

Mlastinile de stuf dau o turba saraca in lignina, dar bogata in proteine. Prin carbonificare rezulta carbuni bogati in liptinit si humodetrinit.

Mlastinile cu muschi se instaleaza in zonele temperate si subboreale si dau o turba acida (pH = 3). In acest caz turba contine multa celuloza, grasimi si ceruri. Turbariile care se instaleaza in mlastini sunt de doua feluri: eutrofe (alimentate cu ape subterane din acvifere) si oligotrofere, alimentate din ape meteorice. Mlastinile eutrofe sunt preponderente si dau cele mai importante turbarii cu rol formator de carbuni.

Mlastina, ca mediu depozitional poate fi de doua feluri: telmatice (terestre) si limnice (subacvatice). Mediul telmatic favorizeaza instalarea unei turbe nederanjate, care creste insitu. In mediul limnic turba se formeaza pe fundul lacului.

Transformarea materialului vegetal este cel mai important lucru care se petrece in procesul de formare a carbunilor. Dupa E. Stach -1982 (in Manualul Inginerului de Mine) etapele de transformare a materialului vegetal sunt:

mediul aerob (oxidant) - procese de dezintegrare in urma carora rzulta reziduri pulverulente;

mediu anaerob (sub influenta organismelor anaerobe);

procese de humificare - humus - carbuni;

turbificare - turba;

putrefactie - sapropel - carbuni sapropelici si sapropeliti - petrol.

Dezintegrarea (putrezirea) este un proces biochimic subaerian in urma caruia rezulta gaze si lichide (CO₂ si H₂O). La locul dezintegrarii raman substante minerale circulate de plante, din sol.

Humificarea se produce in zonele impadurite in medii slab oxigenate sub influenta bacteriilor anaerobe.

Sapropelizarea consta in transformarea lipidelor sub influenta acelorasi bacterii anaerobe.

Turbificarea este un proces foarte complex care se produce sub influenta bacteriilor si ciupercilor in medii cu umiditate la saturatie. Factorul esential care determina formarea turbei este potentialul redox (Eh). Continutul in oxigen din mlastina determina formarea turbei sau distrugerea materialului vegetal acumulat (cu cat cantitatea de oxigen este mai mica, cu atat posibilitatile de formare a turbei sunt mai mari). Turbariile oligotrofe au pH-ul 3-4, eutrofe 4-6,5 si cele influentate marin au pH-ul 7-8. In partea superioara a turbei se dezvolta ciuperci si bacterii aerobe, iar pana la 10 metri adancime se dezvolta bacteriile anaerobe.

Diageneza turbei reprezinta un proces fundamental de transformare a acesteia si cuprinde urmatoarele etape:

carbonificarea biochimica are loc intens pe 0,5 m grosime in partea superioara unde bacteriile aerobe si ciupercile sunt inca active. Pana la adancimea de 10 m actioneaza bacteriile anaerobe. In urma acestei actiuni se formeaza acizii humici. Aceasta humificare este favorizata si de mediul alcalin al turbariilor;

carbonificarea consta in acoperirea stratelor de turba si depozite sedimentare detritice, de grosime mare si impermeabile. Acest proces cuprinde transformari fizico-chimice pe care le suporta materia organica in timp geologic si este controlata termodinamic dupa schema urmatoare:

diageneza  lignit, huila, antracit;

anchimetamorfism  meta-antracit;

epimetamorfism  semi-grafit, grafit.

Stadiile de evolutie ale transformarii materiei organice (numite si nivele de rang) indica in acelasi timp si gradul de maturitate a carbunilor. Cu alte cuvinte, diageneza este un proces prin care sedimentele care contin nivele de turba tind la consolidare si echilibru, sub influenta temperaturii si presiunii de adancime sau de ingropare.

Pana la 50⁰C si 300 de bari (presiune) in diageneza incipienta, reactiile sunt de natura fizico-coloidala. Astfel, substantele humice gelificate trec in faza plastica, materia organica negelificata fiind cimentata. In timpul diagenezei turbei se produc urmatoarele fenomene:

reducerea porozitatii si a continutului de H₂O (datorita presiunii litostatice);

continuarea activitatii bacteriene anaerobe;

formarea unor minerale autigene;

policondensarea biopolimerilor (tesuturile lemnoase si rasinile sunt atacate de carbonificare rezultand maceralele carbunilor inferiori).

Intre 50-100 ⁰C si la o presiune de 300-1000 de bari materia organica sufera modificari geochimice si se compacteaza. Prin eliminarea OH si COOH, acizii humici se transforma in humine. Transformarile geochimice constau in condensare, polimerizare si aromatizare concomitent cu pierderea continutului de O₂, S, N₂ si cresterea continutului in C. Maceralele huminice se transforma in vitrinit (fenomen care se numeste vitrinizare). Aceasta etapa a diagenezei se numeste catageneza (Tissot, 1974, in Manualul Inginerului de Mine

La temperaturi de 150-200⁰C si presiuni de 2000 de bari materia organica se imbogateste in carbon aromatic (>75%). In acest fel se formeaza carbuni cu un inceput de retea cristalina (huile antracitoase si antraciti). Aceasta etapa se numeste, dupa acelasi Tissot, 1978, metageneza.

Petrografia carbunilor

Structural, carbunii sunt substante coloidale, care abia la antracit manifesta slabe tendinte de cristalizare. Constituentii materiei vegetale: celuloza si lignina (60-70%), albuminele (pana la 15%), substantele grase (cutinitul, suberinitul) si rasinile (pana la 5%) se transforma in urma descompunerii selective si imbogatirii reziduale in carbon, in principalii componenti petrografici: xilit, metaxilit, xilovitrit, clarit, vitrit, durit si fuzit. Acesti componenti sunt alcatuiti la randul lor din elemente petrografice cu si fara structura.

Elementele petrografice de baza ale carbunilor (maceralele) sunt fragmente ale tesuturilor vegetale, mai mult sau mai putin transformate, relativ omogene in ceea ce priveste proprietatile fizico-chimice. Dupa felul cum mai pastreaza sau nu structura vegetala a organului sau tesutului din care provin, elementele petrografice se clasifica in:

elemente petrografice cu structura;

elemente petrografice fara structura.

Elementele petrografice cu structura provin din tesuturile vegetale mai rezistente la procesul carbonoficarii, datorita unui continut ridicat de ceruri, rasini si chitinit, care mai pastreaza, integral sau partial, morfologia si structura acestora. Aceste elemente sunt reprezentate prin: exinit (spori, polen, cuticule), sclerotinit (scleroti de ciuperci), suberinit (celule suberinice din scoarta unor arbori), rezinit (rasini), fuzinit (tesuturi, fuzitizate), xilinit (tesuturi lemnoase conservate) si alge, prezente mai ales in carbunii sapropelici.

Elementele petrografice fara structura provin din masa principala lemnoasa bogata in lignina si celuloza, care cu timpul isi pierde structura tesutului vegetal si apare in carbune sub forma unei mase fundamentale (de baza) sau metastaze care cimenteaza elementele cu structura. Aceste elemente sunt in numar de doua: micrinit (masa de baza opaca) si vitrinit (masa de baza transparenta).

Elementele petrografice se combina intre ele in diferite proportii formand componentii petrografici sau microlitotipii carbunilor. Spre deosebire de macerale, microlitotipii sunt mai neomogeni si difera intre ei, atat prin masa fundamentala, cat si prin elementele structurale pe care le contin. Principalii microlitotipi sunt: vitritul, claritul, duritul si fuzitul.

Vitritul este unul dintre cei mai raspanditi componenti petrografici. In stratele de carbuni apare sub forma unor intercalatii stratiforme si lenticulare de grosimi milimetrice pana la centrimetrice. El are o culoare neagra si lasa o urma de culoare brun neagra la neagra cenusie pe placuta de portelan. Luciul vitritului, functie de gradul de carbonificare, este de la smolos la metalic. Densitatea este in jur de 1,3, spartura este prismatica, concoidala sau sistoasa. Vitritul este componentul cel mai casant si in procesul exploatarii carbunilor lasa mult praf.

Privit la microscop, in lumina reflectata, vitritul apare ca un component unitar, alcatuit aproape in intregime din masa de baza vitrinitica de culoare cenusie pana la alb galbuie, cu relief mai scazut decat ceilalti componenti. In aceasta masa fundamentala pot apare incluse cantitati mici de rasini, fuzinit, semifuzinit, sclerotinit si chiar micrinit. Vitritul prezinta numeroase crapaturi paralele, orientate perpendicular sau oblic pe stratificatie. Aceste crapaturi sunt produse in urma contractiei prin uscare a coloizilor humici din care este format. Dupa modul de prezentare la microscop au fost separate mai multe varietati, determinate de intensitatea diferita a procesului de carbonificare: xilit (varietate intalnita in lignit care conserva foarte bine structura lemnoasa), metaxilit (un xilit cu structura lemnoasa mai prost conservata si estompata), xilovitrit (varietate intermediara intre xilit si vitritul propriu-zis), telinit (vitrit structural caracteristic unui stadiu de carbonificare mai putin avansat, intalnit in carbunii bruni si bruni huilosi, in care se observa urme de structura celulara, vase lemnoase, raze medulare, inele de crestere si rasini) si collinit (vitrit nestructural exclusiv din masa fundamentala vitrinitica).

Vitritul are un continut de carbon (80-98%) mai ridicat decat claritul si duritul, dar mai scazut decat unele varietati de fuzit, un continut de cenusa scazut (sub 2%) si un continut scazut in elemente volatile, datorita lipsei corpurilor bituminoase. Exceptie face vitritul provenit din conifere bogate in rasini, care poate contine pana la 45% volatile (mai mult decat duritul).

Din punct de vedere tehnologic vitritul este componentul petrografic cel mai important, intrucat prezinta proprietati foarte bune de ardere si cocsificare. Capacitatea sa calorifica este foarte ridicata. Fiind foarte bogat in humine, vitritul are o mare capacitate de absorbtie pentru oxigen, se oxideaza rapid si se autoaprinde.

Intrucat prezinta numeroase fisuri si este foarte casant, vitritul acumuleaza gaze si produce praf de carbune, favorizand astfel producerea exploziilor de grizu. Din acest motiv, carbunii bogati in vitrit prezinta pericol in procesul exploatarii si impun respectarea cu strictete a normelor de tehnica securitatii.

Claritul apare macroscopic sub forma unor benzi si lentile dispuse paralel cu stratificatia, mai putin lucioase ca cele de vitrit. Claritul este un component semilucios de culoare neagra, avand spartura concoidala si densitate 1,25 -1,35.

Microscopic, claritul apare ca un component mai heterogen decat vitritul, constituit dintr-o masa de baza vitrinitica predominanta, in care apar incluse corpuri bituminoase (exinit, rezinit) si mai rar fuzinit, semifuzinit, micrinit si sclerotinit. Dupa natura elementelor macerale se deosebesc diferite varietati de clarit: cu cuticule, cu spori, cu polen, mixt etc.. Prezenta lui este remarcata numai in carbunii inferiori si medii, pana la un stadiu limita de carbonoficare cuprins intre huila grasa si huila slaba.

Cantitativ, claritul contine mai putin carbon decat vitritul si mai multa cenusa (3-15%) si elemente volatile. Ca si vitritul, claritul este un component util care influenteaza pozitiv randamentul termic in procesul arderii, cocsificarii si chimizarii carbunilor.

Duritul este cel mai dur dintre toti componentii petrografici si este intalnit in unii carbuni humici (carbunii bruni si carbunii bruni huilosi), precum si in cei sapropelici. Duritul apare sub forma de benzi, mai bine dezvoltate decat cele de vitrit si clarit, sau sub forma de lentile care alterneaza cu ceilalti componenti. El are o culoare cenusie-neagra, pana la negru intens, este mat, prezinta spartura neregulata, angulara sau concoidala si are densitatea de 1,35 g/cm

Examinat la microscop, duritul apare cel mai heterogen component, format dintr-o masa fundamentala micrinito-fuzinitica, in care sunt inglobate numeroase elemente macerale (spori, cuticule, rasini, celule suberinice, polen, scleroti, alge). In suprafetele lustruite, duritul prezinta relief ridicat si apare foarte compact, lipsit de fisuri. Ca varietati, se deosebesc durit cu spori, cu cuticule, cu alge, cu rasini, in cazul varietatilor bogate in elemente bituminoase si durit bogat in masa fundamentala (durit inert). Se cunosc si varietati de trecere durito-clarit si clarito-durit.

Din punct de vedere chimic duritul este componentul petrografic cu continutul cel mai scazut in carbon si cel mai ridicat in hidrogen. Duritul contine 6-45% cenusa si o mare cantitate de elemente volatile. Continutul ridicat in volatile si hidrogen ii confera o putere calorifica ridicats si foarte bune proprietati de chimizare. La distilarea uscata produce gaze si gudroane, iar prin hidrogenare iau nastere hidrocarburi. Continutul ridicat in cenusa ii imprima caractere negative la cocsificare, dand un cocs pulverulent, de calitate inferioara. Carbunii cu durit pot fi utilizati, insa, alaturi de cei bogati in vitrit, in unele retete de cocs. Duritul nu prezinta pericol de autoaprindere si nici pentru explozii de grizu.

Fuzitul este un component mai deosebit de ceilalti trei, intalnit atat in carbunii humici, cat si in cei sapropelici, indiferent de gradul de carbonificare. Macroscopic se poate distinge usor datorita asemanarii mari cu mangalul (culoare neagra, luciu satinat, friabilitate ridicata). Mai putin frecvent decat ceilalti componenti, fuzitul apare in carbuni, mai ales, sub forma de mici benzi, cuiburi, lentile si fragmente neregulate. Este componentul cel mai greu, avand densitatea de 1,5 g/cm

La microscop se poate deosebi foarte usor datorita structurii celulare caracteristice. Fuzitul este constituit exclusiv din masa fundamentala semifuzinitica, care prezinta in lumina reflectata o culoare alb-galbuie, cu reflexe aurii si relief ridicat. Semifuzinitul este mai cenusiu si reprezinta un stadiu de trecere spre vitrinit. Ca varietati se cunosc fuzit moale (cu interiorul celulelor nemineralizate), fuzit tare (mineralizat in interiorul celulelor), fuzit cu structura stelara si in arc (in care peretii despartitori ai celulelor sunt sparti si intrepatrunsi).

In ceea ce priveste analiza elementara, fuzitul prezinta continutul cel mai ridicat in carbon (fuzitul moale) si cel mai scazut in hidrogen si celelalte elemente volatile. In schimb fuzitul are un continut ridicat in cenusa (pana la 12- 18% in fuzitul moale si 20-25% in cel tare).

Fuzitul este inert din punct de vedere al autoaprinderii si cocsificarii si de asemenea, prezinta calitati negative in ardere si chimizare. Prin urmare, fuzitul este un component nedorit, in a carei indepartare se impune prin preparare.

Alcatuirea microlitotipilor din elementele mecerale este redata in tabelul de mai jos:

Participarea diverselor elemente petrografice in constitutia componentilor petrografici ai carbunilor (dupa M. Ionescu, 1984)

+++ masa fundamentala; ++ incluziuni (elemente subordonate); + element accesoriu; - lipsa.

Participarea diferitilor componenti petrografici in alcatuirea diverselor varietati de carbune este redata in tabelul de mai jos (M.Ionescu, 1984):

+++ component principal; ++ component subordonat; + component accesoriu; - lipsa.

In fine, daca ar fi sa prezentam "mineralele carbunilor" pentru cele doua categorii ale acestora, situatia ar fi urmatoarea:

1. carbunii inferiori: huminit, exinit (liptinit) si inertinit.

huminit: humotelinit  textinit

ulminit

humodetrinit attrinit

densinit

humocolonit gelinit

corpohuminit

exinit: sporinit

cutinit

resinit

suberinit

alginit

clorophyllinit

liptodendrinit

bituminit

exudatinit

fluorinit

inertinit: fuzinit

semifuzinit

scleronitit

macrinit

micrinit

inertodendrinit

2. carbunii superiori: vitrinit, exinit, inertinit.

vitrinit: telinit

collinit

vitrodendrinit.

Proprietatile carbunilor

Proprietatile carbunilor sunt in principal fizice. Dintre acestea cele mai importante sunt cele optice, mecanice, electrice, magnetice, radioactive precum si cele legate de structura si textura.

5.1. Proprietati optice

Culoarea carbunilor se datoreaza fenomenului de absorbtie a luminii pe suprafata lor, absorbtie care determina culori inchise care variaza de la cenusiu - brun pana la negru. Turba are o culoare brun - galbuie pana la negru, lignitul la fel. Carbunele brun are o culoare negru - cenusie, huila este neagra, iar antracitul este negru cu reflexe albastrui metalice. Culoarea brun - galbuie se datoreaza substantelor humice.

Carbunii bituminosi (sapropelici) au culori in tonuri de negru, brun, oliv.

Culoarea urmei se poate pune in evidenta pe o placa de portelan si ea variaza de la brun - deschis pana la negru (lignitii si carbuni bruni lasa urma in tonuri de brun, iar huilele si antracitii au culoarea urmei neagra).

Luciul este proprietatea carbunilor de a reflecta lumina. Luciul este o proprietate care depinde de compozitia petrografica, de gradul de carbonificare si de continutul de cenusa. Prin urmare vitritul are un luciu stralucitor, claritul este semilucios, fuzitul are luciu semimat-matasos, iar duritul nu are luciu (este mat). Dupa gradul de carbonificare, carbunii au urmatorul luciu: lignitii au luciu mat, carbunii bruni la fel, huilele au luciu smolos, iar antracitii luciu metalic.

Reflectanta reprezinta compactibitatea la reflexie si se stabileste cu microfotometrul Berek. Ea este data de formula:

  (23)

unde: R - reflectanta; n₁ - indicele de refractie a carbunelui care se ia comparativ cu un etalon calculat; n₂ - indicele de refractie a mediului (aer, ulei).

Din acest punct de vedere, lignitii au reflectanta de pana la 0,35%, carbunii bruni intre 0,35-0,40% (la cei mati) si de 0,40-0,50% (la cei luciosi), huilele intre 0,5-2,5%, antracitii intre 2,5-11%, iar grafitul > 11%.

Transparenta se determina in lumina transmisa la microscop prin masurarea cantitatii de lumina absorbita de o sectiune subtire din carbune, in raport cu o sectiune subtire prin sticla. In atare conditii, vitrinitul apare rosu deschis pana la rosu inchis la carbunii bruni si huile, iar antracitii sunt opaci.

Fluorescenta este proprietatea carbunilor de a emite un spectru luminos de diferite culori cand sunt supuse la radiatii cu lungimi de unda scurte (ultraviolete sau albastre).

Fadingul este un element accesoriu fluorescentei. Sub efectul radiatiilor ultraviolete fluorescenta poate sa scada sau sa creasca, producand o deplasare spectrala. Fadingul este un indicator de diageneza a carbunilor, adica un indicator cantitativ al evolutiei termice a materialului organic vegetal din carbune.

5.2. Proprietatile mecanice ale carbunilor

Densitatea carbunilor poate fi reala sau aparenta. Densitatea reala nu ia in calcul volumul porilor si fisurilor. Ea se masoara cu picnometrul. Densitatea aparenta este greutatea unitatii de volum cu pori, fisuri, apa etc.. In general, densitatea depinde de gradul de carbonificare si de continutul in cenusa. Astfel, turba are densitate mica (0,8-1 g/cm³), lignitii si carbunii bruni au densitati de 1-1,4, huilele intre 1,2-1,5, iar antracitii intre 1,4-1,7 g/cm La calculul de rezerve al carbunilor se utilizeaza densitatea aparenta.

Compactitatea se exprima in procente si este raportul dintre densitatea aparenta si cea reala. La turba, compactitatea este mica sau foarte mica si creste direct proportional cu gradul de carbonificare.

Duritatea carbunilor este de doua tipuri:

duritate mineralogica data de gradul de carbonificare. Ea variaza intre 1 la ligniti si 3 la antraciti;

duritatea abraziva este conditionata de compozitia petrografica si se exprima prin relieful la suprafata slifurilor (sectiunilor lustruite) de carbune.

Fragilitatea reprezinta proprietatea carbunilor de a se sfarama. Ea depinde de compozitia petrografica si de continutul in volatile din carbune. Huilele coxificabile au fragilitatea cea mai mare deoarece contin vitrit si clarit. Antracitii au rezistenta mare la sfaramare. Fragilitatea creste functie de continutul in fuzit, vitrit, clarit, durit.

Spartura este reprezentata de forma suprafetei in urma sfaramarii carbunilor. Lignitii se sparg in placi paralele, carbunii bruni au spartura pamantoasa, fibroasa sau concoidala, huilele au spartura neregulata-colturoasa, iar antracitii au spartura angulara.

Despicarea este proprietatea carbunilor de a se desface dupa anumite suprafete. Aceasta proprietate se realizeaza dupa stratificatie sau dupa sistemele de fisuri care sunt endogene, exogene sau de mina. Fisurile endogene (primare) sunt perpendiculare pe stratificatie si determina ruperea carbunilor in bucati geometrice. Fisurile exogene sunt de natura tectonica (secundara) ca si fisurile de mina.

5. Proprietatile electrice ale carbunilor

Permitivitatea electrica este in general mare.

Rezistivitatea electrica este proprietatea carbunilor de a lasa sa treaca curentul electric prin ei. Valoarea ei este direct proportionala cu un continut de volatile. Carbunii au, in general, conductivitati electrice moderate, fata de alte zacaminte nemetalifere, spre exemplu, si chiar fata de petrol.

5.4. Proprietatile termice ale carbunilor

Conductivitatea termica a carbunilor este mica si depinde de constitutia petrografica a acestora.

Caldura specifica este cantitatea de caldura necesara pentru ridicarea temperaturii unitatii de masa cu 1⁰C. Caldura specifica se modifica pe masura ce scade temperatura si continutul in apa.

Coeficientul de dilatare termica. In general carbunii sunt anizotropi. In acest caz, coeficientul de dilatare este mai mare paralel cu stratificatia si mai mic perpendicular pe aceasta.

Radioactivitatea carbunilor depinde in mod special de prezenta in constitutia acestora de potasiu si uraniu.

5.5. Structura carbunilor

Structura carbunilor este data de forma si marimea particulelor componente. Principalele tipuri de structuri sunt:

omogene (la carbunii humici);

neomogene (rubanata);

pamantoasa (la ligniti);

grauntoasa (la carbunii bituminosi);

foioasa (la liptobioliti).

Textura carbunilor depinde de distributia elementelor componente. Ea poate fi:

neregulata (la carbunii humici);

stratificata (la ligniti);

lenticulara (la liptobioliti).

6. Clasificarea carbunilor

Principalele epoci geologice care au oferit conditii favorabile formarii acumularilor de carbuni au fost: pentru huila si antracit, Carboniferul (250-300 M.a.) si Jurasicul inferior-Liasicul (140-150 M.a.); pentru carbunele brun Cretacicul (70-120 M.a.) si Paleogenul (40-50 M.a.), iar pantru lignit Neogenul (20-30 M.a.).

Dupa geneza, carbunii se impart in: carbuni humici - formati pe seama turbei, carbuni sapropelici - formati din malurile sapropelice bogate in alge si resturi de plancton marin si liptobioliti - formati pe seama componentelor mai stabile ale plantelor superioare cum sunt cerurile, rasinile etc..

In Romania se cunosc zacaminte exploatabile numai de carbuni humici si cateva iviri de liptobioliti (chihlimbar). Dupa gradul de carbonificare carbunii humici se impart in mai multe clase conform tabelului de mai jos (vom reproduce clasificarea conform STAS din Romania si nu cea internationala adaptata).

Potonie (1906 - in M.I.M.) a clasificat carbunii in trei grupe:

humici;

liptobioliti;

sapropeliti.

El a tinut cont in acest caz de materia organica care a participat la formarea carbunilor.

Carbunii humici sunt rezultati din resturi vegetale bogate in lignina si celuloza. Acestea, prin actiunea microorganismelor anaerobe si in prezenta apei se transforma in acizi humici care evolueaza spre humine si humite, in procesul de carbonificare (ingropare).

Clasificarea carbunilor humici dupa gradul de carbonificare (Clasificare standard, conform STAS - Romania)

Carbunii humici se clasifica astfel: turba, carbune brun, huile si antraciti.

Turba este un sediment slab fosilizat care se formeaza si in prezent in turbarii. Ea este constituita din resturi vegetale cu structura conservata si care a suferit procesul de bioturbificare. Depozitele de turba sunt constituite din zone de pasla organica in alternanta cu namol organic. Functie de materialul organic (vegetal), turba poate fi:

omogena - turba de sphagnum;

fibroasa - turba de stuf si rogoz;

pasloasa - turba de Eryophorum.

Turba are o culoare brun-neagra. Ea este alcatuita din textini, texto-ulminit, attrinit si foarte mult acid humic gelificat.

Lignitii reprezinta primul stadiu de carbonificare a materialului organic si au frecvente resturi de plante. Ei se clasifica in ligniti propriu-zisi (pamantosi) si xyloizi.

Lignitii pamantosi s-au format pe seama plantelor ierboase si arborescente de talie mica care se macereaza usor in timpul turbificarii.

Lignitii xyloizi au la baza plante arborescente de talie mare. In acestia se conserva bine structura lemnului de provenienta. Ei au o culoare brun-neagra, structura pamantoasa, textura neomogena. Ei contin pana la 60% acizi humici, 15-30% volatile, cenusa variabila functie de materialul initial si o putere calorifica de 1500-3000 kcal/kg.

Carbunii bruni propriu-zisi au o culoare neagra, sunt mati si lasa urma brun inchisa. Ei au un aspect compact si o spartura colturoasa. Maceralele tipice sunt: telinit si collinit care predomina. Secundar mai pot contine: clarinit, durit si fuzit (ei contin si bitumene).

Huilele au un grad superior de carbonificare si au urmatoarele proprietati fizico-chimice: culoare neagra stralucitoare, urma neagra, sunt stratificate si nu contin acizi humici. Maceralele caracteristice sunt telinitul si collinitul, care formeaza impreuna microlithotipul vitrit clarit si durit. Huilele contin pirita, sideroza si ankerit, materiale volatile (10-45%) si au o putere calorifica de 5000-6000 kcal/kg. Dupa cantitatea de volatile, tehnologic, huilele se clasifica in:

- huile cu flacara lunga 45-35%;

- huile de gaz 28-35%;

- huila grasa 20-28%;

- huila pentru cocs 14-20%;

- huila degresata 10-14%;

- huila antracitoasa < 10%.

Antracitii prezinta gradul cel mai mare de carbonificare dintre carbunii humici. Ei au o culoare neagra-cenusie, spartura neregulata, luciu metalic, duritate 5, densitate 1,7 g/cm Maceralele constitutive sunt grupate in microlithotipul vitrit. Clarenul se gaseste in cantitati reduse.

Liptobiolitii apar ca lentile, sunt bogati in H₂ si provin din partile mai rezistente ale plantelor adica cuticule, rasini, ceruri, spori si polen.

Sapropelitii s-au format in conditii anaerobe pe seama planctonului si detritusului vegetal din plante subacvatice. Ei au un continut mare de bitumene si in fapt sunt un namol organic detritic depus in ape stagnante.

Sisturile bituminoase sunt roci detritice fine, de culoare inchisa, care pot contine pana la 60% substanta organica sub forma de humite, bitumen si sapropel. Dupa natura sedimentului mineral ele pot fi argiloase, marnoase, silicioase si carbunoase. Dintre substantele organice in ele predomina polibitumenele fixe, produse de polimerizare a anabitumenelor.

Aceste roci s-au format in bazine acvatice inchise si neaerisite, in care, datorita lipsei oxigenului, materia organica vegetala si mai ales animala a suferit procese de descompunere prin bituminizare. In special grasimile animale, acumulate in namolurile sapropelice de pe fundul apelor statatoare (lagune, mari epicontinentale inchise etc., in prezenta sarurilor minerale din apa au suferit procese de saponificare si transformare in bitumene.

Sisturile bituminoase pot servi la extragerea hidrocarburilor pe care le contin, daca acestea sunt cedate in urma unor procedee tehnologice, sau pot servi drept combustibil datorita proprietatii lor de a se aprinde la o anumita temperatura si de a dezvolta energie termica prin ardere. Puterea lor calorica este redusa (3000-4000 kJ/kg) si sunt considerate combustibili de calitate inferioara.

Pe teritoriul Romaniei se cunosc sisturi bituminoase care prezinta interes economic in vederea valorificarii pentru combustibili in termocentrale, in formatiunile Liasicului superior din Banat (zona Anina) si in Oligocenul din flisul extern din panza de Tarcau a Carpatilor Orientali. In acest context, la Anina a fost deschisa o mare cariera si a fost construita o termocentrala electrica de mari dimensiuni. In final aceste constructii s-au dovedit un mare fiasco economic deoarece sisturile bituminoase extrase nu erau de calitate si necesitau adaugare de pacura, fiind nerentabile din punct de vedere economic.

Prospectiunea si explorarea zacamintelor de carbuni

Identificarea si conturarea zonelor purtatoare de carbuni, stabilirea caracteristicilor calitative si cantitative ale carbunilor, evaluarea posibilitatilor de valorificare reprezinta o activitate de cercetare geologica complexa care presupune urmatoarele etape:

prospectiune;

explorare;

exploatare si valorificare.

Prospectiunea zacamintelor de carbuni se realizeaza prin cercetari geologice, geofizice si geochimice. Cele mai utilizate metode de prospectiuni pentru carbuni sunt metodele geologice si geofizice. Prospectiunea geologica a zacamintelor de carbuni are la baza urmatoarele premize:

premize stratigrafice;

premize structurale;

premize litologice;

premize paleogeografice.

Zacamintele de carbuni se gasesc numai la anumite nivele in scara stratigrafica. Aceste nivele constituie premizele stratigrafice. Principalele etape carbogeneratoare au fost: carboniferul superior, permianul, jurasicul inferior (liasicul) si neozoicul.

Premizele structurale stabilesc caracterul de geosinclinal sau de platforma a regiunii cercetate. In zonele geosinclinale (de subsidenta) s-au format stive groase de sedimente (2000-3000 m) cu multe strate de carbuni. Aceste strate au extindere mare in suprafata sau au grosimi mari si contin de regula carbuni superiori. In zonele de platforma miscarile au fost lente, zacamintele de carbuni au grosimi mici, numarul stratelor este mai redus, fara continuitate si carbunii sunt calitativi inferiori.

Zonele de platforma sunt mai usor de cercetat decat zonele geosinclinale, complicate, cutate, faliate si sariate (incalecate).

Premizele litologice constau in identificarea faciesurilor continental-fluviatile sau lacustre cu suport de material vegetal. In vecinatatea unor intruziuni magmatice, complexele carbunoase sunt constituite din carbuni de calitate superioara.

Premizele paleogeografice se stabilesc pe seama celorlalte trei tipuri de premize. In acest fel s-au conturat harti paleogeografice la un anumit interval stratigrafic. Pe aceste harti sunt stabilite conditiile de formare a zacamintelor de carbuni. Aceste paleomedii favorizante sunt: climatul cald si umed, relieful de campie litorala cu pante line.

Prospectiunea carbunilor se face prin metode de cartare geologica, prospectiuni geofizice, foraje si lucrari miniere usoare (derocari, santuri, puturi).

Prospectiunea geologica prin cartare geologica presupune obtinerea unor indici directi:

aflorimentele stratelor de carbuni;

portelanitele;

fragmentele de carbuni;

continut ridicat de carbon in sol.

Aflorimentele sunt iviri la zi (escarpamente naturale sau artificiale) a stratelor de carbuni in care se pot face observatii directe asupra pozitiei stratului, a compozitiei petrografice, grosimii reale sau aparente, rocilor din culcus sau acoperis (coperis), faunei, florei etc..

Portelanitele sunt argile (sau marne) de culoare rosie care se gasesc la contactul cu un carbune autoaprins. Argilele din stratul din acoperis sunt coapte,

Fragmentele de carbune se gasesc in aluviunile raurilor si atesta prezenta unor strate sau lentile de carbune, in amonte.

Indicii indirecti in prospectiunea geologica sunt:

coloratia solului;

prezenta cristalelor de gips secundar;

vegetatia;

aparitia unor izvoare.

Coloratia solului in zonele cu posibile zacaminte de carbuni este deosebita si anume roscata (datorita oxizilor de fier) sau albicioasa (datorita eflorescentelor de sulf).

Gipsul secundar se formeaza adesea deasupra unui strat de carbune pe seama carbonatilor si sulfurilor din carbune.

Vegetatia, ca indice indirect este mai abundenta si mai viguroasa deasupra unui strat de carbune.

Aparitia unor izvoare poate fi un indiciu indirect in sensul ca apar in culcusul sau acoperisul stratelor de carbune. Aceste izvoare au gust salciu si culoare rosietica datorita oxizilor (in special de fier, provenit de la pirita).

Caracteristicile stratelor de carbune sunt:

grosimea stratelor si continuitatea lor areala;

prezenta reperelor stratigrafice;

intercalatiile sterile;

prezenta incluziunilor din carbuni.

Prospectiunea geofizica se face in zonele fara aflorimente unde exista premize stratigrafice, litologice si structurale. Metodele cele mai utilizate sunt: gravimetria, electrometria, magnetometria, seismometria si radiometria.

Gravimetria pune in evidenta anomalii negative datorate carbunilor (acestia au in general densitate mica). Exista si dezavantaje: grosimea stratelor de carbuni este mica de regula, dar energia de relief poate fi mare.

Electrometria are la baza proprietatile electrice ale carbunilor. Ea utilizeaza metoda rezistivitatii. Celelalte metode au un caracter general si prin urmare se folosesc mai putin, anume numai atunci cand se simte nevoia de anumite clarificari sau argumentari care necesita o mare atentie.

Explorarea zacamintelor de carbuni se face cu foraje de la zi (la suprafata) sau din subteran prin intermediul lucrarilor miniere. Alegerea metodei sau a densitatii retelei de explorare se face functie de gradul de tectonizare a zacamantului. Dupa gradul de tectonizare, zacamintele de carbuni se impart in:

grupa I - zacaminte cu structura geologica simpla, cu strate orizontale sau monoclinale nefaliate;

grupa a II a - zacaminte cutate simplu si faliate;

grupa a III a - zacaminte cu structura complicata, intens cutate si faliate.

Dupa gradul de uniformitate a structurii, grosimii si calitatii stratelor de carbune, zacamintele de carbune se impart in trei tipuri:

tipul I - zacaminte uniforme;

tipul II - zacaminte relativ uniforme;

tipul III - zacaminte neuniforme.

Explorarea este de doua tipuri:

preliminara, cu doua faze:

pregatitoare in care se intocmesc coloane, sectiuni geologice etc.;

principala in care se executa lucrari miniere si foraje (se fac foraje hidrogeologice si se promoveaza rezervele de la categoria "posibile" la categoria C₂ si C₁);

explorarea de detaliu care se executa conditionat. Prin aceasta explorare se va contura zacamantul, adica forma sa, grosimea, caracteristicile fizico-mecanice, numarul de strate acvifere, caracteristicile tehnologice, posibilitatile de extractie - faza de exploatare pilot.

8. Probarea zacamintelor si calculul rezervelor de carbuni

In vederea stabilirii calitatii carbunilor (cantitativa si calitativa) se efectueaza diferite probari in cadrul zacamantului. Exista trei tipuri de probari:

q            Probarea geologica se executa pentru determinarea parametrilor fizici ai carbunilor asa cum se gasesc in zacamant. In acest context se preleveaza probe reprezentative in cantitate mica si care sunt reprezentative pentru o portiune de zacamant. Probarea forajelor de explorare se efectueaza in felul urmator: carota care se preleveaza din zacamant se sectioneaza longitudinal in doua; prima jumatate se analizeaza si cealalta este proba martor.

Proba medie reprezentativa se obtine prin amestecul probelor reprezentative dintr-un zacamant in greutati proportionale cu grosimea stratului in punctele de probare.

Probele industriale se recolteaza din stratul de carbune in faza de exploatare in vederea determinarii principalelor caracteristici chimico-tehnologice ale acelui strat.

Probe de strat diferentiate se recolteaza in vederea caracteristicilor calitative ale fiecarui banc de carbune.

Probele de strat industriale se preleveaza pentru fiecare dintre bancurile de carbune care se exploateaza + sterilul dintre ele (indiferent daca sterilul depaseste 10 cm).

Probe de carbune pentru greutate volumetrica sunt extrem de necesare la calculul rezervelor.

q            Probarea petrografica se face prin esantionare. Scopul recoltarii lor este stabilirea cantitativa si calitativa a microlithotipilor si maceralelor componente ale stratului de carbune. Acestea au un rol stiintific si practic pentru stabilirea fluxurilor rationale de exploatare sau preparare.

q            Probele tehnologice se iau pentru stabilirea fluxului tehnologic de laborator, semi-industriale si industriale.

Rezervele de carbuni sunt clasificate la randul lor dupa gradul de cunoastere si continutul in substanta utila. Ele pot fi rezerve geologice si respectiv rezerve industriale. Rezervele geologice sunt de doua feluri: rezerve de bilant si rezerve in afara de bilant.

Rezervele de bilant sunt rezervele care indeplinesc conditiile tehnice si tehnologice de valorificare eficienta. Rezervele in afara de bilant sunt rezervele care nu indeplinesc conditiile tehnice si tehnologice de valorificare eficienta.

Rezervele industriale reprezinta cantitatea bruta de carbune care se livreaza la beneficiar ca niste caracteristici calitative medii.

Grosimea medie de exploatare depinde de gradul de carbonificare a carbunelui. Astfel la huile si carbunii bruni grosimea medie este de 0,5 m; pentru lignitii cu putere calorifica < 2400 kcal/kg, grosimea minima este de 1,2 m. In acest caz sterilul trebuie sa aiba grosimea < 10 cm, iar cantitatea de cenusa sa fie mai mica de 50%.

Rezervele de bilant se stabilesc pana la 1000 m adancime pentru huile si pana la 200 m sub nivelul hidrostatic pentru ligniti. Rezervele in afara de bilant se stabilesc in extindere pana la 1500 m pentru huile si pana la 300 m adancime pentru ligniti.

Rezervele de categoria A cuprind rezerve pregatite pentru exploatare, conturate cu lucrari miniere si foraje. In acest caz se cunosc foarte bine urmatoarele:

conditiile de zacamant, pozitia, grosimea, continuitatea, gradul de tectonizare, caracteristicile geotehnice ale stratelor din culcus si acoperis;

caracteristicile calitative si tehnologice;

conditiile hidrogeologice (numarul de strate acvifere, grosime, debit, adancime, compozitie chimica);

conditiile tehnico-miniere de exploatare;

caracteristicile petrografice ale carbunilor;

fluxul de valorificare a carbunilor.

Rezervele de categoria B se calculeaza in zonele adiacente celor de categorie superioara.

Rezervele de categoria C₁ sunt cunoscute in linii generale pe baza unor foraje dispuse intr-o retea. Parametrii zacamantului sunt cunoscuti numai informativ prin extrapolare sau observatii izolate.

Rezervele de categoria C₂ sunt cunoscute sumar prin cartare geologica sau din alte lucrari de prospectiune si explorare preliminara.

Rezervele de prognoza sunt rezerve presupuse, estimate pe baza factorilor si conditiilor geologice generale.

Calculul rezervelor de carbuni se efectueaza pe strate de carbuni separat (inclusiv pe intercalatiile de steril pana la 10 cm grosime). Acest calcul se face pe categorii de rezerve dupa care se insumeaza rezultatele intr-o rezerva totala a zacamantului.

Inainte de calcularea rezervelor se stabilesc cu precizie parametrii de calcul: adancimea, extinderea, greutatea specifica, continutul de cenusa mediu, umiditatea totala, putere calorifica.

Exista mai multe metode de calcul al rezervelor. Ele sunt aplicate functie de tipul si caracteristicile fiecarui zacamant in parte.

Metoda mediei aritmetice se foloseste la zacamintele de lignit, atunci cand suprafata de calcul a rezervelor coincide cu suprafata de rezerve de o anumita categorie. Metoda consta in:

q       se proiecteaza la o scara convenabila planul stratului de carbune, conturat pe baza lucrarilor de explorare (foraje, lucrari miniere dispuse in retea regulata) prin trei linii de contur, exterior, interior si mediu;

q       conturul interior se traseaza prin forajele care au strabatut stratul de carbune. Conturul exterior se traseaza la jumatatea distantei dintre forajele care au interceptat stratul si cele mai apropiate din retea care nu au interceptat stratul. Conturul mediu se traseaza la jumatatea distantei dintre conturul interior si cel exterior.

q       cu ajutorul planimetrului se calculeaza suprafata delimitata de conturul mediu;

q       prin stratul de carbune, pe baza forajelor de explorare de detaliu, se executa o sectiune pe directia A-B pentru a se stabili grosimea medie.

  (24)

unde: Gm - grosimea medie; g - grosimea din fiecare foraj; N - numarul de foraje.

q       se executa o alta sectiune verticala prin stratul de carbune, pe aceeasi directie. Grosimea stratului este cea calculata la punctul precedent (grosime constanta = Gm);

q       rezerva stratului de carbune se determina cu ajutorul relatiei:

(t) (25)

unde: R - rezerva stratului de carbune; V - volumul stratului de carbune; Gm - grosimea medie a stratului de carbune.

Aceasta metoda se foloseste in general la zacamintele cu geologie simpla (ligniti in strate orizontale sau monoclinale - Oltenia).

Metoda blocurilor geologice este indicata la stratele neregulate cu geologie complicata, cercetatate cu foraje si lucrari miniere. Pentru aceasta metoda, stratul de carbune se imparte in blocuri geologice cu forma geometrica pe baza urmatoarelor criterii geologice si miniere:

q       grosimea diferita a stratelor (mica, medie sau mare);

q       calitatea carbunelui;

q       metode de exploatare diferite.

Pe fiecare bloc se calculeaza volumul si rezerva. In final, rezerva totala se face prin insumarea rezervelor tuturor blocurilor.

Metoda blocurilor de exploatare se aplica la zacamintele cu strate orizontale sau monoclinale (cu inclinare foarte mica sau medie). In acest caz, exploatarea se face prin lucrari in stratele de carbune, dispuse pe directia si inclinarea acestuia. Deoarece acestea contureaza panoul de exploatare se numeste si metoda panourilor de exploatare.

9. Consideratii succinte privind raspandirea zacamintelor

de carbuni pe glob si in Romania

Repartitia zacamintelor de carbuni pe glob este foarte neuniforma. Circa 95% din totalul rezervelor cunoscute sunt cantonate in emisfera nordica. Din rezervele de carbune 58% se gasesc in Asia, 26% in America de Nord, 11,5% in Europa, 3% in Australia si 1,5% in Africa. Din rezervele cunoscute, 75% sunt concentrate pe teritoriul a numai trei state: fostul U.R.S.S. (33%), S.U.A. (25%) si China (17%).

Pe tipuri de structuri, 60% din rezervele cunoscute sunt cantonate in formatiuni de platforma continentala si 40% in formatiuni de geosinclinal.

In Romania sunt cunoscute zacaminte de antracit, huila, carbune brun, lucios si mat, lignit si turba. Ca varsta, ele apartin fazei asturice a ciclului hercinic (Carbonifer superior) si diferitelor faze ale ciclului alpin (Liasic, Senonian-Danian, Oligocen, Badenian, Sarmatian, Pontian, Dacian si Romanian). Aceste zacaminte sunt localizate in Platforma Moldoveneasca, Platforma Valaha, Depresiunea pericarpatica a Carpatilor Orientali, Depresiunea Getica, Depresiunea Panonica, Bazinul Transilvaniei, zonele geosinclinale din vestul Carpatilor Meridionali (Resita-Moldova Noua si Svinicea-Svineta), precum si in cateva bazine epistructurale intramontane din Carpatii Orientali, Meridionali si Apuseni.

10. Influenta exploatarii si valorificarii resurselor asupra

mediului

10.1. Influenta asupra unui ecosistem

Resursele de carbuni ca si de alti combustibili fosili sunt rezultatutul unor indelungate acumulari si complexe transformari ale materiei organice generate de biosfera terestra, in special de componenta sa vegetala (autotrofa), prin reglarea ciclurilor carbonului si a apei. In urma unei evolutii de peste patru miliarde de ani, plantele au imbunatatit compozitia atmosferei prin retinerea dioxidului de carbon si eliberarrea oxigenului, au primenit neantrerupt apa si aerul, au impus conditiile de mediu pentru dezvoltarea armonioasa a intregii biosfere si in ultima faza au desavarsit conditiile pentru aparitia, existenta si progresul oamenilor. Ca produse finale ale acestei evolutii, oamenii, cu toate cuceririle stiintei si tehnologiei, nu au putut fi la fel de eficienti ca plantele biosferei. Aceste plante utilizeaza 0,1% din energia luminii vizibile receptionata la suprafata Pamantului, incorporeaza anual cca. 70 miliarde tone de carbon si descompun aproximativ 140 miliarde tone de apa. Din cantitatea totala de carbon vehiculata de plantele verzi pe intreaga durata a existentei lor (10²⁰ tone), numai o parte, 10¹⁵ tone se gaseste acumulata prin compusi organici fosili in carbuni, petrol si sisturi organice. Ritmul de acumulare a carbonului in acestia este de cel mult de ordinul milioanelor de tone pe an, in timp ce ritmul de consum al acestuia prin productia actuala este de ordinul miliardelor de tone anual.

In exploatarea si valorificarea resurselor de carbuni, perturbarea mediului ambiant incepe cu extragerea acestor resurse de catre unitatile industriale miniere. Acest lucru presupune, printre altele, scoaterea din circuitul agricol sau despadurirea unor terenuri, deschiderea de noi cai de acces si culmineaza cu construirea de betoniere, silozuri, locuinte, baraci si magazii, concentrarea de mijloace de transport si amenajarea unor locuri (garaje) de parcare si intretinere, depozitarea de combustibili lichizi, materiale, fier vechi si gunoaie, instalarea de transformatoare si retele electrice, montarea de benzi transportoare. Aceste procese pot continua cu descopertarea si exploatarea in cariere, saparea de puturi, galerii de coasta, plane inclinate si alte lucrari miniere (santuri, puturi), haldarea de steril si uneori de carbuni autoinflamabili. Sunt de asemenea bine de amintit evacuarea apelor din lucrarile miniere, prabusirea dirijata a suprafetei terenului deasupra excavatiilor subterane, modificarea morfologiei si cursurilor de apa, declansarea si reactivarea alunecarilor de teren, favorizarea eroziunii si degradarii solului, poluarea apelor de suprafata si subterane etc.. Dupa cum se vede, procesul este extrem de complex si presupune o pleiada intreaga de operatii care afecteaza direct mediul ambiant.

Dupa extractie si eventual prepararea mecanica, carbunii sunt transportati catre utilizatori cu benzi transportoare, autobasculante, garnituri de tren si nave fluviale sau maritime. Atat pe rampele de incarcare si descarcare, cat si de-a lungul cailor de transport, mediul ambiant este deteriorat datorita imprastierii de praf la manipulare, pierderii unor fractiuni de diferite dimensiuni sub actiunea curentilor de aer, apei provenite din precipitatii, oxidarii si uneori autoaprinderii carbunilor in contact cu aerul, degajarii unor gaze continute initial (metanul) sau rezultate din aerare (oxizii de carbon si de sulf).

La valorificarea in scopuri energetice si casnice, prin arderea carbunilor se elibereaza o foarte mare cantitate de dioxid de carbon, al carui continut creste in atmosfera cu aproximativ 0,2% in fiecare an. Intrucat, CO₂ din atmosfera joaca un rol extrem de important (el reprezinta "geamul de la o sera") - lasa sa patrunda lumina dinspre exterior si impiedica radiatiile infrarosii (calorice) sa se propage in sens invers - urmeaza ca regimul climatic global sa se modifice. Este arhicunoscut astazi termenul de "efect de sera", adica incalzirea treptata si fortata a atmosferei care poate provoca in timp topirea partiala a ghetarilor si de aici cresterea nivelului oceanului planetar si prin urmare inundarea zonelor litorale joase. Degajarea fortata a dioxidului de carbon dezechilibreaza brusc ciclul carbonului si prin urmare al ecosistemului in ansamblu. In cazul arderii incomplete (cazuri extrem de frecvente), eliberarea dioxidului de carbon este insotita de degajarea concomitenta a oxidului (monoxidului) de carbon care este foarte nociv pentru toate organismele vii. Pe langa carbon, carbunii mai contin hidrogen, azot, oxigen, sulf si alte elemente. Prin arderea acestora se mai degaja, ca gaze poluante, amoniac, dioxid de sulf, oxizi de azot etc.. Aceste emanatii pot ajunge la milioane de tone pe an. Cel mai periculos este dioxidul de sulf care, asociat cu praf, tinde sa paralizeze celulele ciliate ale cailor respiratorii facilitand patrunderea in plamani a unor substante cancerigene de genul benzpirenului. Oxidul de azot poate provoca afectiuni la fel de grave. Acesta, impreuna cu compusii halogenati perturba stratul de ozon din atmosfera si in final regimul climatic global. Ca produse ale arderii carbunilor mai pot fi mentionate cenusa, funinginea cu hidrocarburi grele si pulberile care sunt si ele substante poluante. Cantitatile din ce in ce mai mari de pulberi emise in atmosfera pot provoca schimbari imprevizibile, pe durata mentinerii lor in stare de suspensie (modificarea proprietatilor aerului de a absorbi si dispersa lumina solara), dar si dupa depunerea lor pe gheturile polare (cresterea capacitatii acestora de a absorbi energia solara). Din pulberile cele mai usoare sub forma de aerosoli si din ceata se constituie smogul, care se prezinta deseori cu aciditate sulfurica nociva. Tot prin arderea carbunilor, pe langa substantele nocive enumerate poate fi adaugata degajarea de caldura in aer, apa si sol. La nivelul suprafetei exterioare a crustei terestre, cantitatea de caldura degajata prin activitatile umane tinde sa egaleze cantitatea de caldura provenita din interiorul Pamantului sau comparabila cu cea primita de la Soare. Ea poate influenta semnificativ regimul climatic global.

Mediul ambiant poate fi afectat nu numai de aceste activitati in scopuri energetice sau casnice. Utilizarea carbunilor in scopuri siderurgice duce la emiterea unor emisii inerente de pulberi, fum rosiatic, gaze sulfuroase, acizi si alte substante nocive.

Odata degajate in atmosfera, substantele poluante sunt purtate de curentii de aer pana la mari distante si depuse direct prin cadere gravitationala sau indirect prin condensare si precipitatii, pe terenuri agricole, paduri, localitati, oceane si mari. Daca printre aceste substante poluante se gasesc oxizi de sulf, de azot si de carbon, precipitatiile devin acide (ploi si zapezi acide), precipitatii care sunt extrem de nocive pentru oameni, plante terestre si acvatice, monumente construite din calcar si gresie calcaroasa ("lepra monumentelor").

Impactul ambiental mai este provocat si de exploatarea si valorificarea resurselor de petrol si gaze naturale, minereuri radioactive, de substante nemetalifere si roci utile. La aceste activitati mai pot fi adaugate exploatarea si valorificarea resurselor vegetale si animale, terestre sau acvatice, resurselor de apa, sol, aer. Dintre activitatile implicate in deteriorarea mediului pot fi mentionate domeniul petrolului, energiei nucleare, metalurgiei, chimiei, cimentului si a altor materiale de constructie, hartiei si celulozei. Substantele cele mai nocive cu grad mare de periculozitate se semnaleaza substantele radioactive, gazele de esapament, produsele petroliere, pulberile si vaporii cu incarcatura metalica, oxizii de sulf si azot (plus compusii lor de tipul peroxiacetilnitratul care produce smogul fotochimic), slamurile, ingrasamintele azotoase, erbicidele si detergentii.

10.2. Poluarea locala si regionala

Orice cariera sau mina de carbuni, statie de preparare, termocentrala pe baza de carbuni, uzina cocsochimica sau intreprindere siderurgica produce o poluare locala a mediului. Cu cat aceste unitati sunt mai mari si mai concentrate pe spatii restranse, cu atat poluarea locala este mai nociva. Daca, din motive de ordin economic, aceste unitati impreuna cu alte unitati industriale sunt amplasate cu densitate mare pe suprafete extinse, poluarea poate deveni regionala. Iata cateva exemple:

In Franta, incepand din a doua jumatate a secolului al XIX lea, datorita industriei existente la acea data pe carbuni si fier, vai pline de verdeata si campii intregi au fost "intunecate" de halde de steril, gramezi de gunoaie, puturi si cladiri industriale innegrite de fum. Astfel de tinuturi negre se gasesc pe valea raului Gardon din zona Cevennes, pe vaile din Decazeville si pe Valea Gier. Combinatele siderurgice moderne construite in apropiere de mare la Dunkerque si Fos nu sunt mai putin poluate. Cea mai poluata zona din Franta este partea de nord a bazinului Artois-Picardie. Aici exista mine de carbuni, unitati carbochimice si siderurgice precum si fabrici de hartie. Raurile franceze sunt in permanenta poluate pe un sfert din lungimea lor totala. Aici se deverseaza aproximativ sase milioane tone de substante toxice provenite in proportie de 60% din deversari industriale si 30% din deversari urbane. Poluarea tinde sa devina regionala in nordul Frantei si in Lorena.

In Germania poluarea are un caracter regional in Bazinul Ruhrului si in zona marelui ax industrial renan. In aceasta tara, cantitatea totala de ape reziduale (la nivelul anului 1989) si de ape menajere uzate se ridica la 32 milioane de metri cubi pe zi, iar poluarea termica a apelor de suprafata si toxicitatea provocata de produsele chimice se situaza la nivele ingrijoratoare. Cel mai poluat curs de apa este Rinul. Acesta se gaseste la ora actuala la limita dezechilibrului biologic.

In Olanda, apa Rinului, deja intens poluata la intrarea in tara si apa raului Escaut, nu se mai pot folosi demult in scopuri potabile. Apele subterane sunt degradate in mare parte din punct de vedere calitativ.

In Belgia efectele poluarii industriale au fost resimtite inca din anul 1930. Intr-o perioada cu ceata localizata pe Valea Meusei, s-au inregistrat 60 de decese si sute de intoxicari ale oamenilor. In aceasta tara, poluarea din zona axului industrial Sambre-Meuse are un caracter regional. In zona capitalei, la Bruxelles se degaja dioxid de sulf care totalizeaza anual circa 20 mii de tone.

In Marea Britanie, ca urmare a poluarii cu fum si dioxid de sulf, in perioadele de ceata se formeaza, deja celebrul "smog londonez" care, printre altele, a provocat moartea a 1000 de persoane in anul 1956, a 700 de persoane in 1957 si a 430 de persoane in anul 1962. Prin arderea combustibililor fosili, se elibereaza anual o cantitate de dioxid de carbon apreciata a fi (la nivelul anului 1989) de 500-600 milioane de tone. Raurile si estuarele britanice sunt poluate nu numai datorita aglomerarilor urbane, dar si activitatilor miniere, siderurgice si chimice, in special in marile centre industriale Lancashire, Midlands si Londra.

In S.U.A. se inregistreaza un decalaj paradoxal intre nivelul tehnologic ridicat si gradul avansat de poluare a apei, solului si atmosferei. Un caz tipic il reprezinta partea vestica a Lacului Superior unde apa este deteriorata calitativ prin deversarile de la marile complexe siderurgice amplasate la Duluth, in statul Minnesota. Poluantii industriali din Lacul Superior ajung pana la urma in Lacul Hunor si de aici mai departe. Oricum, in aceasta tara, se duce o lupta acerba, asidua si extrem de periculoasa si costisitoare impotriva acestei "mafii" industriale.

Este foarte cunoscut situatia din asa zisul "Black Triangle", o zona situata intre fosta R.D.G., Cehia si Polonia. Aici au existat si exista inca exploatari de carbune care au dus la stergerea de pe fata pamantului a numeroase localitati (din toate cele trei tari), un fel de "Lidice" al zilelor noastre. In plus, sute de mii de hectare de padure si teren agricol au devenit pur si simplu sterpe. Ca si cum nu ar fi fost de ajuns, fiecare din aceste tari, si-au amplasat si construit aici combinate sofisticate de preparare si valorificare a carbunelui. Nesolutionate la masa tratativelor, aceste centre au devenit pur si simplu "pete negre" ale Europei de pe urma carora sufera milioane de oameni alaturi de ecosistemul aferent.

In Romania se poate vorbi mai ales de o poluare locala. Aceasta poluare se resimte mai ales in apropiere de principalele centre miniere, termoenergetice, cocsochimice si siderurgice. Printre cele mai poluate zone pot fi amintite Bazinul Vaii Jiului, bazinele Rovinari si Motru, termocentralele de la Turceni, Rogojelu si Craiova, centrele cocsochimice de la Hunedoara, Calan si Resita, centrele siderurgice de la Hunedoara, Galati, Otelul Rosu, Calarasi si Resita. Nu este mai putin adevarat ca, asa cum se exploateaza in continuare petrolul si alte substante nemetalifere (in cariere sau in mine), acestea constituie adevarate focare locale de poluare. In plus, marea majoritate a centrelor miniere cu traditie (Baia Mare, Zlatna, Balan, Fundul Moldovei, Lesul Ursului, Campulung Moldovenesc etc.), toate, dar absolut toate se "fac" numai ca respecta legile impuse de protectia si conservarea mediului. Este un lucru, cu parere de rau, constatat si mediatizat nu numai in tara, ci si peste hotare.

10. Masuri de limitare a impactului produs de poluare

Cele mai vechi atestari documentare privind protectia mediului inconjurator fata de poluarea produsa prin utilizarea carbunilor se gasesc in Franta si Marea Britanie. In Franta, prin edictul din anul 1382 al lui Carol al VI-lea se interzicea producerea fumului "rau mirositor si gretos". Prin masurile adoptate la Rouen in anul 1510 se urmarea protectia mediului impotriva fumului produs de carbuni. In Marea Britanie, prin masuri asemanatoare adoptate la Londra in secolul al XVI-lea, se interzicea folosirea carbunilor in scopuri casnice.

Ulterior, masurile adoptate pentru protectia mediului in diferite tari industrializate s-au dovedit ineficiente in fata intereselor crescande de ordin economic si financiar. Abia in secolul XX, au aparut in Marea Britanie - Legea pentru prevenirea emanatiilor de produse chimice toxice (Alkali Act) din anul 1906, Legea Sanatatii Publice (Public Health Act) din anul 1936, Legea pentru extinderea si protejarea centurii verzi a centrului aglomerarii urbane de la Londra (Green Belt Act) din anul 1938, Legea aerului curat (Clean Air Act) din anul 1956 si Legea pentru resursele de apa (Water Resources Act) din anul 196 In Belgia au aparut Legea privind conservarea frumusetii peisajelor (1911), Legea referitoare la lupta impotriva poluarii atmosferice (1964), Legea privind protectia apelor impotriva poluarii (1971), Legea referitoare la lupta impotriva zgomotului (1973) si Legea asupra deseurilor toxice (1974). In Germania a aparut Legea cadru referitoare la poluarea apelor cu instructiuni de aplicare (1954), iar in S.U.A. a aparut Legea pentru controlul federal al poluarii apei (Federal Water Polution Control Act - 1956) si Legea pentru calitatea aerului (Air Quality act -1967). In Japonia au aparut Legea de baza privind controlul poluarii mediului (1967) si Legea pentru controlul poluarii atmosferice (1968).

In Romania, pana in anul 1989 a existat o legislatie extrem de completa, care a cuprins o gama larga de reglementari stabilte prin mai multe hotarari si coduri. Iata cateva exemple: Codul silvic (1962), Hotararea nr. 518 a Consiliului de Ministri privind ocrotirea naturii (1964), Decretul nr. 1059 pentru protectia surselor de apa potabila (1967), Legea nr. 12 privind apararea, conservarea si folosirea terenurilor agricole si padurilor (1968), Decretul nr. 80 de infiintare a Consiliului National pentru Protectia Mediului inconjurator (1974), Legea nr. 3 privind asigurarea sanatatii populatiei din anul 1978 etc.. Dupa 1989 a aparut Legea Protectiei Mediului (nr.137/1995) republicata in anul 1997, anul 2000 in Monitorul Oficial al Romaniei. Aceasta lege a fost completata si republicata in anul 2006.

Alaturi de opinia publica, au luat nastere o pleiada de organizatii finantate, care actioneaza pe plan international. Sunt arhicunoscute de acum organizatiile ecologiste "Green Peace" sau "Grune Liga", ale caror actiuni au fost si sunt extrem de benefice in lupta pentru protectia si conservarea mediului. Opinia publica din Anglia a actionat vehement, astfel la nivelul anului 1989 s-a redus concentratia de fum din atmosfera de cca. trei ori fata de nivelul anului 1955. Acelasi lucru s-a intamplat in Franta, Germania, Polonia, Cehia si Rusia.

Dintre masurile de protectie a mediului de la noi din tara se pot enumera: recuperarea solului inainte de efectuarea operatiunilor miniere si reasezarea lui pe locul initial dupa terminarea exploatarii, reducerea cantitatilor de pulberi si gaze toxice emanate in atmosfera, tratarea si reciclarea apelor uzate. Ca si in alte tari, aceste masuri se dovedesc totusi ineficiente si mai ales insuficiente. Amenzile (pecuniare sau penale) sunt totusi, la nivelul anului 2006, extrem de permisive si blande. In plus, productia de carbune continua sa creasca (cu mici exceptii - Anglia, Belgia si chiar Franta). Tehnicile moderne de exploatare si valorificare a carbunilor nu pot impiedica inevitabilul: scoaterea din circuitul agricol si forestier a sute si chiar milioane de hectare. Mai mult, termocentralele elibereaza inerent caldura, pulberi si gaze, uzinele de cocsificare elimina ape reziduale pentru care nu exista inca procedee satisfacatoare (mai ales din punct de vedere economic si tehnologic), iar intreprinderile siderurgice nu pot functiona fara sa foloseasca si sa uzeze apa si aer.

Pentru toate aceste constatari prezentate mai sus, este mai mult decat evident ca tehnologia de exploatare si valorificare a carbunilor si nu numai, trebuie perfectionata pe baza experientei acumulate in extractia automata si hidraulica, gazeificarii subterane, recuperarea si utilizarea caldurii reziduale, producerea de combustibili sintetici etc.. Noua tehnologie a carbunilor nu poate fi conceputa decat pe temeiuri ecologice reale si in raport cu aspectele sociale, politice si economice globale.