CC BY
86
М.В. Писаренко
ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ КУЗНЕЦКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА
Представлен ресурсный потенциал Кузнецкого угольного бассейна, кратко рассмотрены сложившиеся тенденции угледобычи в Кузбассе и обзор промышленно опробованных перспективных технологий добычи угля подземным способом.
Ключевые слова: минерально-сырьевая база, уголь, балансовые запасы, горногеологические условия, добыча, технологии добычи угля.
~Т/• узнецкий угольный бассейн является крупнейшим экс-.л\ плуатируемым бассейном, обеспечивающий добычу более 56 % угля Росси, в том числе более 81 % коксующихся марок углей, при этом более 46 % добываемого угля в Кузбассе идет на экспорт.
Горно-геологические условия залегания угольных пластов бассейна характеризуются очень широким спектром, фактически вбирающих в себя весь возможный диапазон их изменения, мощность пластов от 0.5 до 60 м, углы падения от 0-900, дизъюнктивная нару-шенность от 0 до 300 м/га, глубины залегания пластов от первых метров до 2 км и т.д. Марочный состав углей бассейна включает все марки углей коксующихся и энергетических марок. Угли бассейна являются, ценным металлургическим и энергетическим сырьем, (средняя калорийность от 6-8 тыс. ккал/кг, содержание серы до 0.6%) [1].
Общие ресурсы углей Кузбасса до глубины 600 м оцениваются в 218.5 млрд т, до глубины 300 м (горизонт ±0 м) - 100.4 млрд т [2]. Балансовые запасы угля, подсчитанные до глубины 600 м от поверхности (горизонт -300 м), составляют 66,8 млрд. т по состоянию 01.01.2010. На долю коксующихся углей приходится более половины 54,4 % запасов балансовых запасов, в т.ч. запасы углей наиболее ценных марок ГЖ, Ж, КЖ, К, ОС составляют 23.4 % (см. рис. 1). Промышленные запасы на полях действующих шахт и разрезов по состоянию на 01.01.2010 оцениваются в 10,9 млрд т (16,2 % от общих), из них на разрезах - 3 млрд т. На строящихся предприятиях объем запасов оценивается 2,3 млр т.
При подсчете ресурсов и запасов, оценка выполнялась по на данным геологоразведочных работ проводимых до 1983 года и кондициям принятым в 1963 года, в которых запасы подсчитывались
7000 6000
^ 5000
0
1 4000
0
1 3000 1 2000
1000 0
ГЖ Ж КЖ К ОС КО КС ксн тс сс дг г гжо Марки
Рис. 1. Распределение балансовых запасов углей пригодных для коксование по маркам
начиная с мощности 0.7 для коксующихся и 1 м для энергетических углей и зольностью угля до 30 %, при этом не учитывались углы падения пластов, выбросо- и удароопасность, нарушенность, метанноность и другие факторы осложняющие ведение горных работ. Распределение запасов и прогнозных ресурсов по углам падения и мощности представлены в табл. 1.
В Кузбассе разработку месторождений ведут открытым и подземным способами, на которые приходится около 56 % и 44% добычи по Кузбассу, соответственно. При этом, несмотря на все многообразие горно-геологических условий, отработка запасов ведется с применением монотехнологий. На разрезах это транспортная система разработки с применение автомобильного транспорта для вывозки угля и вскрышных пород, приемлема для всего диапазона горногеологических условий, однако являющаяся наиболее затратной. На эту систему в Кузбассе приходится 84 % добычи угля открытым способом. При этом за последние годы, новых технологий на предприятиях не внедряется, за исключением замены парка эскавационного оборудования (механические экскаваторы заменятся на гидравлические, увеличиваются мощности горнотранспортного оборудования).
На шахтах доминирует длинностолбовая систем разработки с оснащением длинного очистного забоя высокопроизводительным механизированным комплексом, на долю этой системы приходится около 93 % всей добычи угля подземным способом (включая
Мощность
По углам падения, %
пласта, м Балансовые запасы [4] Прогнозные ресурсы [5]
До 200 <4 ^ 'О 1Ъ Всего До 200 'О 1Ъ Всего
0.7-1.3 16.0 2.5 2.5 21 18.4 2.3 2.3 23.0
1.31-5 47.0 7.5 7.5 62 48.8 6.1 6.1 61.0
>5 13 2 2 17 12.8 6.1 1.6 16.0
Всего 76 12 12 100 80.0 10 10 100.0
добычу из мощных пластов двумя слоями(6т%) и с выпуском подкро-вельной пачки угля(1т%))[6]. Для эффективной работы таких шахт необходимо поддерживать стабильно высокие нагрузки на очистной забой (более 4 тыс.т/сут.), что возможно только в благоприятных горно-геологических условиях. В Кузбассе около 64 % механизированных лав работают в условиях природной газоносностью свыше 10 м3/т. В условиях опасных по горным ударам работают около 82 % очистных забоев и в 79 % очистных забоях в условиях опасных по самовозгоранию угля [6]. Обеспечение безопасной работы в таких условиях требует применение специальных мероприятий направленных на их предотвращение, что ведет к увеличению и без того растущих эксплуатационных затрат. Кроме того, осложнение ведения горных работ дизъюнктивными нарушениями, обводнненость участков, увеличение глубины ведения горных работ и т.д., приводят к списанию части промышленных запасов (до 50 %).
Таким образом, широкое использование единственной технологии, которую порой невозможно адаптировать к конкретным горногеологическим условиям и объясняет то, что, несмотря на рекордные показатели производительности по отдельным угледобывающим предприятиям, средняя производительность рабочего по добыче ниже технически возможной в 4-6 и более раз, а затраты на производство, несмотря на рост производительности труда (6,8 % в год), постоянно растут, со средним темпом 18 % в год.
Следует отметить, что если при подземном способе наблюдается интенсификация добычи с одной выемочной единицы, то на открытых работах наоборот. Вводятся новые разрезы с производственной мощностью 200-400 тыс. т и обеспеченностью запасами от 2 до 7 лет. Высоких технико-экономических показателей на таких разрезах ожидать не приходится. И как результат, среднемесячная производительность рабочего на шахтах по сравнению с 1989 г. выросла более чем в 2.5 раза, на разрезах составила 0.7% от уровня 1989 г. (табл. 2).
Таблица 2
Наименование 1989 год 2010год
Всего 100.4 195,3
По шахтам 51.4 141,6
По разрезам 389 276,5
Рекордная среднемесячная добыча была достигнута на шахте «Ко-тинская» -822 т/мес. в 2008 год, что выше, чем на лучших разрезах Кузбасса.
Обеспеченность действующих предприятий запасами угля, создает иллюзию, о том, что их хватит в среднем на 25-30 лет и более лет. Однако это будет завесить от того, по какому пути будет развиваться угольная промышленность и ее минерально-сырьевая база. До настоящего времени основным путем развития являлся экстенсивный путь, состоящий в разведке и передаче в промышленное освоение новых участков угольных месторождений, и их отработка по широко распространенной технологии. При подземном способе добычи - высокопроизводительные длинные очистные забое, эффективная работа которых требует выбора участков с благоприятными горногеологическими условиями - мощность пласта 1,8-4 м, углы падения до 20-250, выдержанная мощность пласта, отсутствие геологических нарушений на достаточно больших участках 300х3000 м, природная метаноностность до 10 м3/т, и т.д. Такая тенденция может привести к резкому сокращению (50 % и более) промышленных запасов, и массовой реконструкции предприятий и перехода на новые горизонты. Особо остро эта проблема может возникнуть с запасами особоценных марок коксующихся углей (КЖ, К и ОС). Это связано с тем, что горногеологические условия отработки этих запасов являются сложными (крутые пласты, маломощные и высокогазаностные и др. осложняющие горно-геологические факторы), а их доля в балансовых запасах около 13 %. Второй путь развития - интенсивный, предполагает поиск и адаптацию новых технологий добычи, обеспечивающих эффективную отработку известных запасов [1].
На сегодняшний день, как показывает анализ литературы, разработаны и прошли промышленное испытание десяток нетрадиционных для Кузбасса технологий добычи. Задачи состоит только в том, чтобы определить область наиболее эффективного их использования, и адаптации под конкретные горно-геоло-гические условия.
Зарубежный опыт показывает, что одним из наиболее эффективных способов отработки тонких пластов (от 0.55 до 1.8 м) с углами падения до 200 является струговая выемка. В перспективе планируются струги с отработкой пластов с углом падения до 350.Струговая выемка
имеет как свои преимущества, так и недостатки, поэтому область ее применения оценивается не более 20% от запасов угля сосредоточенных в пологих маломощных угольных пластах. В Кузбассе струговую выемку планируют применять на шахтах «Березовская» и «Первомайская».
Гидравлический способ добычи угля успешно применялся на шахтах Кузбасса и Донбасса в 60-80-х годах прошлого века. Область применения гидравлического способа добычи довольно широкая: мощность пластов от 0.9 до 20 м; угол падения от 5 до 80°; крепость угля - от весьма крепких и вязких до весьма слабых, газообильность шахт - от негазовых до сверхкатегорных и опасных ввиду внезапных выбросов угля и газа. К основным преимуществам гидротехнологии относятся: быстрая адаптация очистной выемки к изменению горногеологических условий залегания пласта; отсутствие людей в очистном забое; поточность и малооперационность; существенное повышение безопасности технологии по сравнению с механическим способом добычи, за счет увлажнения массива и воздуха в забое. Поэтому данная технология может стать наиболее эффективной на сегодняшний день при отработке крутых пластов угля.
Вместе с тем способ имеет и ряд недостатков: большие потери угля, сильное измельчение, необходимость обезвоживания, проблемы с очисткой воды и т.д., что также ограничивает область его использования. Часть отмеченных недостатков может быть снята (тонкое измельчение, обезвоживание), при использовании угля добытого по этой технологии для производства водоугольного топлива для производства электроэнергии.
В настоящее время ОАО «Промгаз» проектирует предприятия по отработке угольных пластов по технологии подземной газификации (пилотный проект в г.Киселевске). Опыт работы по такой технологии в Кузбассе имеется, это Южно-Абинская станция «Подземгаз» в г. Киселевске, которая с 1955 года проработала около 40 лет. Станция отрабатывала крутопадающие каменноугольные пласты мощностью от 2 до 9 м и снабжала газообразным энергоносителем 14 промышленных предприятия.
Подземная газификация представляет собой физико-хими-ческий процесс превращения угля в горючий газ с помощью свободного или связанного кислорода непосредственно в недрах земли. Подготовка газогенератора осуществляется посредством бурения сети скважин, одни из которых служат для подачи дутья, а другие для выдачи газа подземной газификации. Полученный газ пригодный для использования в энергетических, технологических целях. Эта технология, при
развитии химического крыла по утилизации продуктов содержащихся в газе подземной газификации, с получением синтез газа и водорода может стать одной из наиболее эффективных и экологически чистых способов отработки крутых и крутонаклонных пластов мощностью более 2 м. Однако она имеет пока ряд недостатков: высокие потери (около 58% в энергетическом эквиваленте); низкая теплота сгорания получаемого газа (3.0-5.0 МДж/м3); и самое главное трудности управления процессом горения.
Перспективными при отработке пологих мощных пластов (более 6 м) является технологии отработки пластов в один слой с использованием механизированных комплексов с выпуском угля подкровельной толщи с разупрочнением подкровельной толщи, и послойная отработка пласта с использованием короткозабойных средств механизации.
Перспективным является интеграция (или комбинация) различных технологий для обеспечения полноты выемки запасов и эффективности отработки запасов. Суть заключается в том, что часть запасов отрабатывается, например, высокопроизводительными длинными очистными забоями, а участки, не отвечающие условиям эффективной добычи этой технологии (в целиках, между крупными геологическими нарушениями, участки неправильной формы и т.д.), отрабатывают альтернативными технологиями. Например, наряду с уже используемой в Кузбассе камерностолбовой системой разработки, следует рассматривать возможность выемки угля короткими лавами, бурошнековую, скважинную технологию выемки угля, скважинную гидродобычу, комплексы глубокой отработки пластов (КГРП) и др.
В заключении хотелось бы отметить, что наблюдаемое ныне трехкратное превышение объемов погашения запасов угля над объемами его добычи на действующих предприятиях и рост затрат на добычу является «платой» за несовершенство существующих горных технологий. Поэтому совершенствование технологий добычи в направлении обеспечения ими возможности отработки запасов в сложных условиях позволит увеличить количество пригодных к эксплуатации запасов на полях действующих предприятий и на возможных к освоению новых участках месторождений, а также повысить эффективность их отработки. Это интенсивный путь развития минеральносырьевой базы России, является весьма привлекательным именно для Кузбасса.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Баловнев В.П, Шаклеин С.В., Ярков В.О. Состояние минеральносырьевой базы угольной промышленности Кузбасса. // Горная промышленность. - 2000. - № 2 .С.-4-8.
2. Угольная база России. Том II. Угольные бассейны и месторождения западной Сибири (Кузнецкий, Горловский, Западно-Сибирский, бассейны: Месторождения Алтайского края и Республика Алтай).- М.: ООО «Геоинформоцентр», 2003. -804 с.
3. Баланс запасов углей каменных и бурых Кемеровской области по состоянию на 01.01.2010. -Новокузнецк. 2010, с.-201.
4. Генсхема (модель) развития угольной промышленности на 1980, 1985, 1990 и прогноз на 2000 г. Сибгипрошахт, 1975.
5. Материалы ПГО «Забсибуглегеологии» геологической разведки 1979 г.
6. Храмцов В.И. Особенности подземной добычи угля шахтами Кузбасса в 2008 году// ТЭК и ресурсы Кузбасса.-2009. - № 2. С- 40-43.
7. Артемьев В.Б. Перспективы струговой выемки угля. // Уголь.- 2004. -№3. С.9-12.
8. Шрайбер А.А., Редькин В.Б. Современные и перспективные технологии добычи угля.// www.ienergy.kiev.ua.
9. http://igds.nl/ms/prodllction/pd/knlkl/.lMlЫ=j
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ
Писаренко Марина Владимировна - ученый секретарь Института угля СО РАН, кандидат технических наук, mvp@icc.kemsc.ru.
