CC BY
125
УДК 662.749
Д.В. Мещеряков, О.Д. Смилевец, Н.В. Хаюк, Д.С. Спиричева
ИССЛЕДОВАНИЕ КОЦЕБИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
Освещены эффективные способы получения строительных материалов на основе переработки горючих сланцев.
Г орючие сланцы, переработка, строительные материалы.
D.V. Mescheryakov, O.D. Smilevets, N.V. Khayuk, D.S. Spiricheva
KOTEBINSK DEPOSIT RESEARCH WITH COMPOSITE CONSTRUCTION MATERIAL PRODUCTION AIM ON THE BASE
OF ENERGY TECHNOLOGICAL PROCESSING OF SHALE OIL
The authors study effective ways of construction materials production on the base of shale oil processing.
Shale oil, processing, construction materials.
В условиях рыночных отношений ресурсная оценка состояния минерально-сырьевой базы территории является основным элементом планирования экономического развития региона. Кроме того, любые оценки ресурсной базы того или иного региона приобретают особую информативность при сравнении с аналогичными данными по другим регионам и по России в целом. Весьма важным представляется также и анализ сведений о горючих сланцах как о сырье для производства различной химической продукции.
На основании проведенных исследований геологические ресурсы горючих сланцев России составляют 700288,85 млн. т (см. таблицу). Из них по категории А+В+С1 2454,6 млн т; С2 -2824,0 млн т, забалансовые 467,4 млн т, неучтенные балансом - 12090,95 млн т, прогнозные; по категории Р1 - 46906,1 млн т, Р2 - 29674,7 млн т, Р3 - 605861,1 млн т [2].
Ресурсы горючих сланцев в месторождениях России и на территории Саратовской области, учтенные Государственным балансом (млн т)
Регион А+В+Сї С2 Рі Р2 Рз Забалан- совые Неучтен- ные
Россия 2454,6 2824 46906,1 29674,7 605861,1 467,4 12090,95
Саратовская область 760,947 1060,766 564
Савельевское 30,249 1,257 45,113
Озинское 72,620 0,922 158,861
Коцебинское 40,927
Перелюбское 617,151 1058,587 360,137
На долю Саратовской области в категории промышленных запасов (А+В+Сх) падает более 31% от общих промышленных запасов горючих сланцев в целом по России. В категории С2 - ресурсы горючих сланцев в Саратовской области - это 38% ресурсов по России. Приведенные цифры наглядно демонстрируют значение нашего региона для всей сланцедобывающей и сланцеперерабатывающей промышленности России в целом.
На территории Саратовской области расположено несколько месторождений горючих сланцев.
Савельевское месторождение расположено в Краснопартизанском районе. Общая разведанная площадь месторождения около 110 км2. Глубина залегания сланцев колеблется от нескольких до 200 м. Вскрыша представлена верхнеюрскими, нижнемеловыми, плиоценовыми и четвертичными образованиями. Мощность продуктивной толщи от 13,8 до 20,8 м.
Балансовые запасы сланцев по Сакминскому и Михайловско-Соловьевскому участкам по категориям А+В+С1 равны 30249 тыс. т и по категории С2 - 1257 тыс.т. Забалансовые за-
пасы Михайловского, Соловьевского, Рукополь-Корнеевских 1 и 2, Южно-Савельевских 1 и 2 участков составляют 190858 тыс. т.
Озинское месторождение расположено вблизи р.ц. Озинки. Месторождение разведано на площади 13,5 км по категориям: А - 12,6 млн т, В - 45,2 млн т, Сх - 14,8 млн т, С2 -
0,9 млн т, и забалансовые 158,9 млн т. Запасы утверждались ГКЗ в 1951 и 1953 гг. Месторождение эксплуатировалось с 1943 по 1957 годы, после чего было законсервировано. Качество и достоверность геологоразведочных работ довольно низкие.
Орловское месторождение расположено вблизи с.Орловка Духовницкого района. Площадь месторождения около 60 км2, подетальные геологоразведочные работы проводились в 1941 году в пределах Селезнихинского участка площадью 0,35 км . Запасы по категории Сх по одному пласту составляют 133 тыс. т. На остальной площади запасы сланцев определены в количестве 58231 тыс. т. Из-за низкой степени изученности качества сланцев и геологического строения участка запасы Орловского месторождения отнесены к 1-й группе прогнозных (Рх), характеризующихся теплотой сгорания 1600-2000 ккал/кг и мощностью пласта от 0,5 до 1,4 м.
Перелюбское и Коцебинское месторождения расположены в пределах Перелюб-Благодатовской сланценосной площади. Сланценосные отложения волжского яруса верхнего отдела юрской системы широко развиты в Саратовском Заволжье, но залегают близко к поверхности только на отдельных участках, наибольший из которых находится в Перелюбском районе, где выявлены Коцебинское и Перелюбское месторождения. Запасы этих двух месторождений по категории Сх составляют 1142 млн т (Коцебинское - 525 млн т, Перелюбское -617 млн т), они не утверждались, т.к. до 1990 года продолжались технологические испытания горючих сланцев. Предварительно оцененные запасы по обоим месторождениям по категории С2 составляют 5321 млн т.
Левобережный участок Кашнир-Хвалынской сланценосной площади расположен в Духовницком районе. Поисковые работы, проведенные в 1952 году, выявили участки с промышленной сланценосностью, но мощность толщи и качество сланцев значительно ниже, чем на Перелюбском месторождении.
Безусловно, наиболее подготовленным к добыче и переработке месторождением горючих сланцев в области является Коцебинское, поэтому вопросы его быстрейшего включения в хозяйственный оборот весьма актуальны и своевременны. Исходя из результатов геологических данных, под открытую разработку горючих сланцев выбран участок «Рассынковский» северного крыла Коцебинского месторождения, размеры которого 3,25x1,8 км. Участок расположен в понижении рельефа, имеющего характер долины, вытянутого в субширотном направлении. Месторождение расположено в Саратовской, Самарской и Оренбургской областях РФ и Казахстане. Основная часть месторождения расположена в Саратовской области.
Кровля сланцевой толщи в границах участка залегает на глубине от 0,8 до 15,8 м. Общая мощность сланцевой толщи составляет от 28,6 до 37,6 м. Перекрывается полезная толща почвенно-растительным слоем 0,1-0,4 м, бурыми глинами мощностью 3,6-5,5 м и толщей переслаивающихся известняков, мергелей и известковых глин мощностью 7,2-10,8 м.
Если толщину керогеновых глин, которые являются низкокалорийными горючими сланцами, отнести к вскрыше, то I пласт сланца находится на глубине в среднем 20 м, что позволяет вести разработку открытым способом. Сланец залегает в виде пластов различной мощности - 0,7 до 1,2 м. На данном участке полезное ископаемое скомпоновано по пластам и пачкам. Всего их 5, мощностью от 0,85 до 4,2 м. Суммарная мощность по чистому сланцу варьируется от 6,3 до 8,6 м. Общий объём сланцев и прослоев - 92,137 млн м3, чистого слан-
3 3
ца - 40,9 млн. м , вскрышных работ - 193,3 млн м . Промышленные запасы (с учётом потерь при добыче) - 37,1 млн м3 [4].
Пласты горючих сланцев залегают практически горизонтально. Качество сланцев в пластах различно. Согласно гидрогеологическим исследованиям, начиная с III пласта, полезная толща обводнена. Воды безнапорные, обладают целебными свойствами, они близки к водам ти-
па «Нафтуси», как и все воды в сланцево-рудных бассейнах. По химическим и бактериологическим анализам карьерные воды по качественным показателям относятся к здоровым водам.
Возможная система обработки месторождения, по классификации проф. Мельникова, классифицируется как «транспортная», с перемещением вскрышных работ во внешние и внутренние отвалы автотранспортом. На горных работах предполагается параллельная структура комплексной механизации вскрышных и добычных работ.
Вскрышные работы ведутся в 3 уступа:
1-й - почвенно-растительный слой - бульдозером;
2-й - мягкая вскрыша - экскаватором с транспортировкой в отвалы;
3-й - скальная вскрыша после взрывания убирается экскаватором и самосвалами.
Внутренняя вскрыша относится к мягкой. Добычные работы ведутся одновременно на
двух добычных уступах: 1-й объединяет 1, 2 и 3-ю пачки, 2-й - IV и V пласты с прослоем ке-рогеновой глины. Добыча ведётся с применением буровзрывных работ. Возможно вести добычные работы и другим способом: в 3-4 добычных уступа, чтобы не смешивать более «богатые», с более «бедными» пластами, т.е. вести добычу селективно. В этом случае себестоимость добычных работ повышается на 5^10%.
Рекультивационные работы на карьере можно начинать с 3-го года отработки, как только оголится подошва карьера. Отработка карьерного поля должна быть комплексной. Бурые неогеновые глины, залегающие ниже почвенно-растительного слоя, являются хорошим сырьём для приготовления керамического кирпича. Запасы кирпичных глин составляют 25,7 млн м3. В качестве щебня для дорожного строительства могут быть использованы прослои известняка во внешней вскрыше. Запасы плотного известняка составляют 14,0 млн м3.
Прослои известняковых глин между II и III, а также Ш и IV пластами являются природносбалансированным цементным сырьём. Объём их составляет 42,1 млн м3. Толща керогеновых, так называемых «чёрных», глин может служить для производства керамзита, так как эти глины хорошо вспучиваются при термической обработке. Объём их составляет 44,2 млн м . Эти же глины можно использовать в бальнеологических целях для «глинолечения», в комплексе с водой типа «Нафтуси». Кроме этого, в основании сланцевой толщи залегает фосфоритовый горизонт.
При такой комплексной разработке карьерного поля существенно изменится коэффициент вскрыши и, естественно, себестоимость добычных работ основного полезного компонента, а также она позволяет вести разработку и на других участках с более мощной вскрышей.
Вышеперечисленные данные приведены для незначительного участка Коцебинского месторождения. В целом Коцебинское месторождение по результатам поисково-оценочных работ располагает запасами по категории С2 более 3500 млн тонн. Мощность перекрывающих отложений от 6,4 до 50,3 м. Это позволяет более оптимистично рассматривать возможности открытой обработки этого месторождения.
На кафедре производства строительных изделий и конструкций Саратовского государственного технического университета наработан солидный научно-технический опыт решения задач комплексного подхода к утилизации техногенных отходов в производство строительных материалов как на отдельно взятом предприятии, так и в промышленном регионе. При выборе той или иной схемы организации энерготехнологической переработки горючих сланцев можно выделить несколько направлений использования минерального остатка, в зависимости от оценки их пригодности и подготовленности для производства конкретного строительного материала.
Минеральные отходы низкотемпературной переработки горючих сланцев в газогенераторных станциях и на установках с твердым теплоносителем характеризуются наличием не-разложившихся карбонатов и высоким содержанием невыгоревших соединений и органики. Такой минеральный остаток из-за низкого содержания клинкерных минералов не обладает вяжущими свойствами и не пригоден для производства безобжиговых строительных материалов. Как показали исследования, сланцевый полукокс, подвергшийся дожиганию, представляет со-
бой золу с химико-минералогическим составом, позволяющим использовать ее в вяжущем веществе зольно-щелочного типа активностью до 20 МПа, эффективно твердеющим в условиях тепловлажностной обработки. Зола с установок с твердым теплоносителем (УТТ) после дожи-га вполне пригодна для получения смешанных вяжущих веществ: зольно-известковых и зольно-цементных. Значительно расширяет возможности утилизации исследуемой золы УТТ применение ее в немолотом состоянии в качестве зольного песка в строительных растворах. На основе смешанного зольно-цементного вяжущего с пониженным на 40% расходом цемента получены изделия из тяжелого бетона с классами по прочности до В15. В составе тяжелого бетона использована как молотая зола, так и в виде зольного песка с Мк = 2,2.
Проведены детальные исследования свойств золы для производства силикатных изделий автоклавного твердения. Зола УТТ, как отмечалось ранее, имеет алюмосиликатный модуль 4,42 и наличие стекловидной фазы, что предопределяет ее пригодность как кремнеземистого компонента силикатной смеси автоклавного твердения. В лабораторных условиях получены изделия силикатно-зольного кирпича марок М100, М150 и М200 при варьировании соотношений молотой золы, зольного песка и извести [1, 3].
Эффективным направлением утилизации сланцевого полукокса представляется применение его в качестве отощающей и выгорающей добавки при производстве керамических материалов повышенной пористости с высокими теплотехническими свойствами. Результаты исследований показали, что как отощающая добавка сланцевый продукт снижает пластичность глиняной смеси, уменьшает ее воздушную усадку и требует увеличения формовочной влажности. Как выгорающая добавка полукокс сказывается на уменьшении средней плотности и увеличении водопоглощения получаемого кирпича. По нашим данным, добавки сланцевого полукокса до 25% от массы сырьевой смеси позволяют получить эффективный керамический кирпич плотностью 1200-1450 кг/м ; с марками по прочности М75, М100 и М125 (в зависимости от количества вводимой добавки); морозостойкостью не ниже Б25. Полукокс как углеродсодержащий компонент шихты в производстве керамического кирпича позволяет на 10-15% сократить расход топлива при обжиге [5].
Минеральная часть горючих сланцев содержит практически все оксиды, применяемые в производстве плавленых материалов, и поэтому с незначительной подшихтовкой является основой для получения изделий на основе шлакового стекла, золошлакоситаллов, пеностекла и шлакоминеральной ваты. Проработаны технологические аспекты формирования пористой структуры стеклокомпозитов и возможности использования золы горючих сланцев как основного сырья, а сырых сланцев как углеродсодержащего газообразователя. Исследована способность золошлаковых стекол к вспениванию при получении из них пеностекла и пено-ситалла. Получена зависимость степени пенообразования (по скорости приращения объема) от количества пенообразователя и температуры вспенивания. Установлено, что наиболее интенсивный рост пористой массы наблюдается в интервале температур 880-920°С с выдержкой для стабилизации структуры от 15 до 20 минут. При дальнейшей термообработке в течение часа при температуре 790-820°С наблюдается переход ячеистой стекловидной массы в кристаллическое состояние с выделением минералов пироксеновой группы. Идентифицирована ячеистая структура материала с сообщающимися порами примерно одинакового размера. Стеклокристаллический каркас гетерогенной композиции представлен стеклофазой и пи-роксеновыми кристаллами примерно в равных соотношениях. Кристаллическую фазу представляют диопсид, параволластонит и галенит. Полученный материал классифицирован как изоляционно-строительный, класса Б и может быть использован для утепления стен, покрытий, кровельных и других элементов зданий и сооружений гражданского, промышленного и сельскохозяйственного назначения.
Проведена комплексная оценка пригодности золошлаковых остатков переработки горючих сланцев для производства минерального волокна - аналога базальтового. Эксперименты, проведенные на опытной установке МГД-25, показали, что жидкий шлак, полу-
чающийся при сжигании волжского сланца, вполне пригоден для производства шлаковой минеральной ваты. В заключение следует отметить, что предложенные рациональные и эффективные способы утилизации минерального остатка переработки горючих сланцев технически и экономически обоснованы и с успехом могут быть реализованы в заводских условиях, как предприятий стройиндустрии, так и непосредственно в местах переработки горючего сланца.
ЛИТЕРАТУРА
1. Использование техногенных отходов добычи и переработки горючих сланцев для производства стеклокристаллических материалов, керамических изделий и пеностекла / В.А. Гороховский, Э.А. Гуревич, Д.В. Мещеряков, Л.В. Мартынова // Современные проблемы строительного материаловедения: сб. трудов Междунар. конф. Самара, 1995. Ч. 3. С. 11-13.
2. Зозырев Н.Ю. Закономерности размещения и перспективы использования минерально-сырьевой базы твердых полезных ископаемых Саратовской области / Н.Ю. Зозырев, Ю.Н. Зозырев. Саратов: Наука, 2006. 124 с.
3. Некоторые направления использования местного сырья и техногенных отходов Поволжья для создания строительных композиционных материалов / Ю.Г. Иващенко, Д.В. Мещеряков, Э.А. Гуревич, П.К. Желтов // Рациональные энергосберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и коммунальном хозяйстве: сб. науч. трудов Меж-дунар. конф. Белгород, 2002. С. 85-89.
4. Концепция и основные направления освоения минерально-сырьевой базы твердых полезных ископаемых Саратовской области (на период 1999-2005 гг.). Утверждены постановлением правительства области от 2.08.1999 г. № 66-п.
5. Мещеряков Д.В. Стеклокристаллические композиты пироксеновой структуры на основе минерального остатка переработки горючих сланцев и другого техногенного сырья / Д.В. Мещеряков. Саратов: СГТУ, 2000. 102 с.
Мещеряков Дмитрий Васильевич - Mescheryakov Dmitriy Vasilyevich -
доктор технических наук, профессор Doctor of Technical Sciences,
кафедры «Производство строительных Professor of the Department
изделий и конструкций» of «Production of Construction Materials
Саратовского государственного and Constructions»
технического университета of Saratov State Technical University
Смилевец Олег Демьянович - Smilevets Oleg Demyanovich -
доктор геолого-минералогических наук, Doctor of Sciences in Geology and Minerology,
профессор кафедры «Производство Professor of the Department
строительных изделий и конструкций» of «Production of Construction Materials
Саратовского государственного and Constructions»
технического университета of Saratov State Technical University
Хаюк Нина Васильевна - Khayuk Nina Vasilyevna -
аспирант кафедры «Производство Post-graduate Student of the Department
строительных изделий и конструкций» of «Production of Construction Materials
Саратовского государственного and Constructions»
технического университета of Saratov State Technical University
Спиричева Дарья Сергеевна - Spiricheva Darya Sergeyevna -
аспирант кафедры «Производство Post-graduate Student of the Department
строительных изделий и конструкций» of «Production of Construction Materials
Саратовского государственного and Constructions»
технического университета of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 28.05.09, принята к опубликованию 14.01.10
