CC BY
407
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 622.333
ГОРНОДОБЫВАЮЩАЯ ОТРАСЛЬ В ЭКОНОМИКЕ ТУЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
М.В. Грязев, Н.М. Качурин, Е.И. Захаров
Приведена оценка состояния минерально-сырьевой базы Тульской области и показаны перспективы развития горных предприятий. Отмечено, что обоснование и создание новых физико-химических геотехнологий разработки природных и техногенных месторождений, обогащения и переработки полезных ископаемых на данном этапе развития горной промышленности в Тульской области являются важнейшим направлением научно-технического поиска. Это необходимо для создания техники и технологий нетрадиционных способов добычи и переработки полезных ископаемых.
Ключевые слова: полезные ископаемые, Подмосковный угольный бассейн, геотехнологии, обогащение полезных ископаемых, техногенные месторождения, экологическая безопасность.
Тульская область характеризуется хорошо развитым промышленным комплексом. По индексу промышленного производства наша область занимает третье место в Центральном федеральном округе, уступая лишь Московскому, Костромскому и Калужскому регионам [1]. В течение многих лет одной из ведущих отраслей промышленности являлась горнодобывающая промышленность. На территории области в разное время были выявлены и разведаны запасы месторождений следующих видов полезных ископаемых: горючие, металлические, неметаллические, пресные подземные воды, минеральные подземные воды. Металлические полезные ископаемые в области представлены месторождениями железных и алюминиевых руд [2].
Бурый уголь. Основное энергетическое богатство Тульской области - бурый уголь - связано с отложениями нижнего карбона. Многочисленные угольные месторождения области входят в состав южного крыла Под-
московного бассейна. Встречаются в основном два вида углей - бурые гумусовые и сапропелевые. Основную массу каменноугольных отложений составляют гумусовые угли. Промышленные запасы бурых углей на территории Тульской области определяются в 3 млрд т, что составляет 40 % запасов Подмосковного угольного бассейна.
Подмосковный бассейн, является одним из старейших угольных бассейнов страны как по геологическому возрасту, так и по началу разработки месторождений. Он был открыт в 18-м веке в период правления Петра I. Располагается ныне на территории 7 областей Центральной России (Рязанской, Московской, Калужской, Смоленской, Тверской, Новгородской и Тульской) (рис. 1).
Рис. 1. Карта-схема Подмосковного угольного бассейна
Динамика добычи угля в Тульской области начиная с 1990 г. отражена на рис. 2. Из-за низкой калорийности и высокой стоимости подмосковного бурого угля его добыча за последние годы практически прекращена. Если в 1958 г. добыча 119 действующих шахт составила 43,5 млн т, то в
1999 г. оставшиеся четыре шахты дали всего 1 млн т угля, а в настоящее время подземная добыча прекращена. Резко сократилась также добыча угля открытым способом.
14000 И 12000 10000
х
8000
3 6000 н
4000 2000 0
1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
Рис. 2. Динамика добычи угля в Тульской области с 1990г. (по данным Госкомстата РФ [5])
Торф. Несмотря на то, что по своему географическому положению Тульская область относится к числу «сухих» (без развитой сети озер и болот), запасы торфа в области значительны. Многочисленные торфяники имеются в Веневском, Заокском, Ясногорском, Алексинском, Одоевском и других районах. Некоторые торфяники разрабатывались для удобрения почв.
Железные руды. Из железорудных запасов в области главными являются бурые железняки. Залежи руд размещены преимущественно в Ще-кинском, Киреевском, Богородицком и Плавском районах, половина же их промышленных запасов сосредоточена в Киреевском районе. Тульские руды залегают на границе каменноугольных и мезозойских отложений. Они содержат около 47 % железа, а лучшие из них - до 60 % железа. Мощность рудного слоя в среднем составляет один - полтора метра, глубина рудных залежей 15...20 м. Это позволяет вести разработки руды открытым способом. К 70-м годам двадцатого столетия тульские железорудные месторождения были отнесены к категории мелких, и их разработка была прекращена.
Целестиновые месторождения. Обнаружено более 20 месторождений стронциевых руд с общими прогнозными ресурсами около 200 млн т.
Алюминийсодержащие руды, или бокситы. В пределах Тульской области в отложениях нижнего карбона были обнаружены залежи алюми-нийсодержащих руд (бокситов). Бокситы встречаются преимущественно в
Щекинском, Киреевском, Плавском, Воловском, Одоевском и Суворовском районах. Самые лучшие бокситовые породы содержат много окиси алюминия. Однако такие породы встречаются весьма редко и только в Одоевском районе. Почти все остальные бокситы в области весьма низкого качества, ввиду чего они имеют ограниченное применение. Бокситы залегают обычно на глубине 20...30 м от поверхности Земли, поэтому их добыча не представляет особых трудностей и затрат. По характеру залегания бокситы схожи с глинами. Они также имеют вид землистых масс. Цвет тульских бокситов белый, а иногда красноватый (из-за наличия окислов железа).
Неметаллические полезные ископаемые. Недра Тульской области чрезвычайно богаты неметаллическими твердыми полезными ископаемыми. Применение в различных отраслях народного хозяйства нашли каменная соль, гипс, карбонатные породы - известняки и доломиты, глины и суглинки, пески и песчано-гравийные смеси.
Каменная соль. Богатые соленосные отложения обнаружены в Тульской области в толщах девонской системы. Почти половина территории области лежит на мощном соляном пласте. Пласты мощностью 30.40 м располагаются в среднедевонских слоях. По своему происхождению каменная соль является осадком девонского моря. Наименьшая глубина залегания соленосных пластов наблюдается на юге области и составляет 780.800 м, наибольшая - на севере (около 1 000 м). Месторождения каменной соли известны в Алексинском, Ленинском, Щекинском, Новомосковском, Кимовском, Богородицком, Узловском, Веневском, Ясногорском и Заокском районах. Каменная соль является важным сырьем для химической и пищевой промышленности.
Гипс. Преобладают залежи гипса мощностью в 20.30 м. Гипсо-носные породы находятся на разной глубине - на юге области они лежат на глубине до 80.100 м, на севере - до 200.250 м. Гипс в Тульской области обнаружен в Кимовском, Новомосковском, Щекинском, Узловском, Ленинском, Суворовском, Дубенском, Заокском, Ясногорском и Алексинском районах.Одно из самых крупных в нашей стране Новомосковское месторождение гипса находится в 3.4 км севернее г. Новомосковска Тульской области, занимая площадь более 32 км2. Оно приурочено к южному крылу Московской синеклизы и связано с гипсоносной толщей данковско-го горизонта фаменского яруса верхнего девона. Эта толща повторяет общую структуру крыла синклинали, полого погружаясь на север вместе с ниже- и вышезалегающими образованиями. Гипсоносная толща подстилается кавернозными известняками, доломитами и мергелями; она имеет мощность около 70 м и характеризуется сложным строением; ее нижняя часть представляет чередование доломитовых и гипсовых слоев, а верхняя - пласт гипса мощностью 20.25 м. Мощность перекрывающих гипсонос-
ную пачку пород варьируется от 60 до 130 м, что обусловлено, главным образом, неровным рельефом поверхности.
Промышленным является мощный гипсовый пласт в верхней части гипсоносной толщи, сложенный мелкокристаллическим, реже волокнистым гипсом белого, светло-серого, иногда темно-серого цвета; присутствующие в нем редкие прослойки доломита и темно-серых илоподобных глин имеют мощность от 1 до 20 мм. Кроме того, в составе пласта появляются единичные более мощные линзы доломита (15...20 см) и кремния (до 5 см), а также линзовидные скопления целестина. Рабочая мощность пласта на основной части месторождения составляет 12.18 м, а его подошва находится на глубинах 72.142 м от поверхности. Среднее содержание Са804-2И20 в промышленном пласте по отдельным скважинам варьируется от 83,42 до 93,17 %, а по месторождению в среднем составляет 88,78 %. Качество добываемого сырья отвечает требованиям, предъявляемым к гипсовому камню 1-го и 2-го сортов. Разработка пласта ведется подземным способом. По разведанным запасам Новомосковское месторождение является крупнейшим в стране.
Известняки. Девонские толщи в пределах области содержат большие запасы известняков. Эти запасы определяются сотнями миллиардов тонн. Наибольшее распространение девонские известняки в пределах области имеют в южных районах - Ефремовском, Плавском, Чернском и других. Образование мраморовидных известняков, ценного строительного материала, связано с каменноугольным периодом. Они располагаются в северных районах области: Веневском, Заокском и Алексинском.
Кирпичные глины и суглинки. Кирпичные глины и суглинки являются сырьем для производства строительного кирпича. Они имеют на территории области повсеместное распространение. В ряде районов, таких, как Воловский, Алексинский, Арсеньевский, Веневский и Плавский, встречаются черепичные глины.
Пресные подземные воды. Одним из видов минеральных образований, связанных с недрами и имеющих исключительно важное значение в повседневной жизни человека, являются пресные подземные воды. Подземные воды на территории области распространены повсеместно. По условиям залегания они подразделяются на два типа: грунтовые и артезианские. Грунтовые воды используются обычно для нецентрализованного водоснабжения посредством неглубоких колодцев. Артезианские воды используются для бытовых и хозяйственных целей посредством артезианских скважин, оборудованных для извлечения подземных вод на поверхность. Лучшими по качеству являются воды окского и упинского горизонтов каменноугольной системы. Высокая эксплуатационная нагрузка на горизонты пресных питьевых вод повлекла за собой истощение запасов и возникновение дефицита подземных вод питьевого качества.
Минеральные воды. Геологами установлено, что Тульская область исключительно богата минеральными водами, обладающими лечебными качествами. По химическому составу выделяются сульфатно-гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные и смешанные по составу воды.
Развитие горнодобывающей отрасли опирается на существующие минерально-сырьевые ресурсы и экологическую ситуацию в области.
Последствия подземной добычи угля в Подмосковном угольном бассейне и отходы горнодобывающего комплекса Тульской области. Главными до недавнего времени являлись месторождения бурых углей Подмосковного бассейна, разработка которых началась более 150 лет назад в 1853 г. Известно, что за это время в Подмосковном бассейне было добыто 1589,3 млн т угля. Принимая во внимание «удельный вес» области в добыче, составляющий не менее 80 % от общего объёма, непосредственно в Тульской области добыто 1271,44 млн т угля. Суммарная площадь, в той или иной мере подверженная техногенному воздействию, связанная с разработкой месторождений угля, достигает 3102,75 км2, или 12,1 % от общей территории области. В пределах этой площади значительно активизировались экзогенные геологические процессы (провалы, заболачивание, просадки, оползни) [3].
Добыча углей привела к резкому нарушению природных ландшафтов и формированию новых техногенных ландшафтов, выделяемых исследователями как Верхнедонской антропогенный район. Площадь Верхнедонского антропогенного района равна 5760 кв. км.
Терриконы хаотично разбросаны по территории всей области. Занятые ими площади выпадают из сельскохозяйственного и лесного производства. Распаханные приотвальные пространства располагаются у подножия терриконов в радиусе 250...400 м. Плодородный слой чернозёмных почв перемешан со смытой дождевыми потоками и нанесённой ветром угольной золой. Приведённая характеристика учитывает механическое воздействие угледобывающей отрасли, что иллюстрируется на рис. 3 - 6 [4 - 5].
Данные поисково-разведочного опробования углей Подмосковного угольного бассейна указывают на его невысокое качество. Зольность изменяется в пределах 34,4.45,0 %, сернистость составляет 3.5 %. Сопоставление среднего содержания отдельных химических элементов с их кларко-выми концентрациями в бурых углях бывшего СССР показывает, что угли Подмосковного бассейна характеризуются повышенным содержанием металла в зольном остатке. Уровни концентраций элементов в отходах разных обогатительных фабрик не одинаковы и зависят от состава породы, образующейся после обогащения углей. Следовательно, загрязнению подвергаются все типы ландшафтов. Особое внимание следует обратить на проблему отходов, поскольку даже приближенные расчёты указывают на
то, что на дневной поверхности размещалось в виде различных отходов угольной промышленности производства более 317,85 млн т горных пород (25 % от объёма добычи товарной продукции).
Развитие горнодобывающей отрасли опирается на существующие минерально-сырьевые ресурсы области. В области производится интенсивная добыча нерудного сырья, главным образом, для строительного комплекса. Среднегодовой объём по добыче и производству строительных материалов составляет: по щебню - 6,5 млн. куб. м; по добыче известняков с целью получения из них технологического сырья для химической, сахарной и металлургической промышленности - 2,1 млн т; по горному и речному песку 2 млн т; по керамзитовым глинам - 700 тыс. т; по суглинкам для производства керамического кирпича - 3750 тыс. т. Среднегодовой объём экскавационных работ на всех карьерах по добыче вышеуказанной продукции - более 60 млн м3.
Из 2164,5 га предоставленных земель для разработки полезных ископаемых нарушено 1929,8 га, что составляет 89 % от предоставленных для разработки. Рекультивировано 1108 га, или 57 % от нарушенных земель. Темпы и качество рекультивации крайне низкие. В основном ведётся техническая рекультивация путём засыпки выработанного пространства карьеров вскрышными породами. Рекультивированные земли практически непригодны для сельского хозяйства.
Горно-обогатительное производство связано с большим выделением отходов горного производства по предприятиям строительного комплекса области и составляет 40 млн м год. Часть из этих отходов - мелкая фракция известняка в количестве 12 млн м3 в год - может быть использована в производстве блочных стеновых материалов и приготовлении известняковой муки для раскисления почв в сельском хозяйстве.
Комплексное освоение недр - перспективное направление развития горнодобывающей отрасли экономики Тульской области. На территории Тульской области разведаны большие залежи полезных ископаемых различных видов, а также имеются геологические предпосылки обнаружения ряда месторождений минерального сырья, нетрадиционного для этой территории. В области добывалась основная часть бурых углей Подмосковного угольного бассейна, поэтому этот вид полезных ископаемых по-прежнему в центре внимания. Значительный интерес бурые угли представляют как комплексное горно-химическое сырье. Зольный остаток подмосковных углей содержит редкие рассеянные элементы, цветные и благородные металлы (алюминий, цинк, золото). Редкие рассеянные элементы -это, прежде всего, галлий, натрий, скандий, лантан, церий, тантал, цирконий и др.
1. Комплексная разработка угольных пластов с использованием обычной технологии и подземной газификации бурого угля в сочетании с
последующим получением электроэнергии и геотехнологией извлечения ценных компонентов из зольного остатка является наиболее перспективным направлением развития угольной промышленности в Тульской области. В Тульском государственном университете на кафедре геотехнологий и строительства подземных сооружений разработана такая технология комплексного освоения месторождений бурого угля [6]. Предлагается способ комплексного освоения месторождений бурого угля, включающий деление месторождения на блоки, бурение дренажных скважин и подземную газификацию угля, растворение золошлаковых остатков угля и откачку продуктивного раствора на поверхность для последующей экстракции ценных компонентов, заполнение выработанного пространства блока закладочным материалом. Этот способ отличается тем, что бурят 6 рядов вертикальных скважин, расположенных в блоке друг от друга на расстоянии 20 ... 25 м, которые последовательно используют как дренажные, продуктивные для газификации угля, для растворения и извлечения золошла-ковых остатков угля и для нагнетания закладочной смеси. В каждом ряду располагают 10 -12 вертикальных скважин на расстоянии 15 ... 20 м друг от друга, откачивают подземную воду и через узел водоподготовки направляют к потребителю. Газ подземной газификации угля очищают от примесей в узле очистки энергетического газа и сжигают в локальной газовой электростанции, а образующийся диоксид углерода нагнетают в закладочный массив посредством узла аккумулирования. Продуктивный раствор очищают от твердых примесей и откачивают по трубопроводу к химико-технологическому узлу, связанному с закладочным комплексом посредством узла неутилизированных отходов.
2. Вторым направлением комплексного освоения недр Тульской области является разработка техногенных месторождений, представленных отходами угольных шахт, обогатительных фабрик и теплоэлектростанций, а также известняковых карьеров и дробильно-сортировочных комплексов. При этом необходимо создать экономически эффективные технологии использования неутилизируемых твердых отходов для закладки выработанных пространств известняковых карьеров и полного восстановления природных ландшафтов и последующей их биологической рекультивации.
3. Третьим направлением комплексного освоения недр Тульской области, без которого невозможно реализовать представленные технологии, является специализированная подготовка горных инженеров на базе Тульского государственного университета. Положительный опыт внедрения Федеральных образовательных стандартов третьего поколения по специальности «Горное дело» показывает, что исключительную актуальность приобретает специализация «Обогащение полезных ископаемых».
Следовательно, обоснование и создание новых физико-химических геотехнологий разработки природных и техногенных месторождений, обо-
гашения и переработки полезных ископаемых на данном этапе развития горной промышленности в Тульской области являются важнейшим направлением научно-технического поиска. Это необходимо для создания техники и технологий нетрадиционных способов добычи и переработки полезных ископаемых. Таким образом, современное состояние минеральных ресурсов Тульской области, научный уровень и практический опыт использования различных геотехнологий, а также специализированная подготовка кадров для горной отрасли свидетельствуют о том, что перспективы развития - это практическая реализация технологий комплексного освоения недр.
Список литературы
1. О развитии промышленности Тульской области: информация Правительства Тульской области // Тульские губернские ведомости. 2014. №1. С. 5.
2. Недра Тульской области / В.С. Дымов [и др.]. Тула: Изд-во «Гриф и Ко», 2000. 124 с.
3. Подмосковный угольный бассейн Материал из MiningWiki - шахтёрской энциклопедии. http://miningwiki .ru/wiki. (Дата обращения 5.01.2013).
4. Качурин Н.М., Рябов Г.Г., Куприн Б.Н. Оценка техногенных месторождений топливно-энергетического комплекса на территориях угледобывающих регионов //Известия вузов. Горный журнал. 2009. № 8. С. 3742.
5. Ресурсы и ресурсосберегающие технологии / Э.М. Соколов [и др.]// Экономика XXI века. Инновации, инвестиции, образование. 2013. №2. С. 50-57.
6. Качурин Н.М., Зоркин И.Е., Мосина Е.К. Геотехнология комплексного освоения месторождения бурового угля // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 1. С. 119 - 129.
Грязев Михаил Васильевич, д-р техн. наук, проф., ректор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology @tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Захаров Евгений Иванович, д-р техн. наук, проф., ecology@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MINING BRANCH OF TULA REGION ECONOMY. CONDITION AND PERSPECTIVES
M. V. Griyzev, N.M. Kachurin, E.I. Zaharov 65
Evaluating mineral base condition of Tula Region was submitted and perspectives of developing mining enterprises were shown. It's noted that substantiating and creating new physical-chemical geotechnologies mining nature minerals and anthropogenic deposits, concentration and processing minerals at given period of Tula Region mining industry development are the major directions of scientific research. It is necessary for creating equipment and technologies for nontraditional mining methods and processing minerals.
Key words: minerals, Moscow Coal Basin, geotechnologies, concentrating minerals, anthropogenic deposit, environmental safety.
Griyzev Mihail Vasilievich, doctor of sciences, full professor, the Rector, ecology @tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kachurin Nikolai Mikhailovich, doctor of sciences, full professor, head of chair, ecology @tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Zakharov Evgeniy Ivanovich, doctor of sciences, full professor, ecology @tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 622.272
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДМОСКОВНЫХ БУРЫХ УГЛЕЙ
Е.И. Захаров
Отмечено, что минеральная часть бурых углей Подмосковного бассейна содержит десятки элементов, некоторые из них практически являются единственной сырьевой базой. Формула геохимической специализации подмосковного угля отражает высокое содержание металла в пластах. Рекомендовано комплексное освоение угольных месторождений подмосковных бурых углей.
Ключевые слова: Подмосковный угольный бассейн, бурый уголь, металлы, петрография, комплексное освоение угольных месторождений.
В центре Европейской территории России располагается уникальное месторождение бурых углей. Своеобразие Подмосковного буроуголь-ного бассейна, резко отличающегося от других угольных бассейнов, связано с линзовидным и пластообразным залеганием угля, сложным очертанием залежей, слабостью вмещающих пород, сложной гипсометрией и других особенностей, требующих особых приемов в разведке, строительстве шахт и угольных разрезов и, особенно, при их эксплуатации. Угольные залежи имеют сложный гумусово-сапропелитовый состав и подразделяются на гумитовые, сапропелито-гумитовые и гумито-сапропелитовые.
Уникальность бурых подмосковных углей определяется их составом и свойствами. Органические микрокомпоненты углей, являющиеся
66
